ZL205A铝合金及其复合粉末的选区激光熔化成形研究

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Al-Cu系铝合金具有比强度高、质量轻等优点,被广泛应用于航空航天、国防工业和交通运输等领域。传统制造工艺制备复杂的铝合金零件,存在生产周期长、模具成本高等局限性。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种适合成形复杂金属零件的增材制造技术,但由于Al-Cu系铝合金在激光成形过程中易氧化、对激光吸收率低、热裂倾向大等特性,导致其SLM成形困难。本文通过优化SLM成形工艺、添加纳米LaB6粉末、热等静压等方式对ZL205A的SLM成形展开研究。获得主要结论如下:获得了致密度较优的SLM成形ZL205A铝合金工艺参数:激光功率220 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.15 mm、铺粉层厚0.03 mm。在此工艺下,打印过程中成形稳定且熔体飞溅小,成形的试样熔道搭接率较好,致密度最高为97.16%,但在试样内部仍有圆孔等缺陷。在体能量密度为60 J/mm~3-70 J/mm~3范围内,SLM成形ZL205A试样的致密度均在95%以上。通过XRD和SEM分析可知,成形试样的组织主要由灰色的α-Al基体和不规则形状亮色的Al2Cu(θ)相组成,激光功率增大会影响成形试样中固溶体的含量,晶格常数最高为4.04612(?)。试样的显微组织由细等轴晶和粗大的柱状晶组成。通过EDS扫描发现,Cu元素易于在柱状晶边界富集。确定了最佳的球磨工艺为球磨转速130 r/min、球磨时间3 h,通过此工艺参数制备了纳米颗粒均匀分散且不破坏原始粉末球形度的LaB6/ZL205A复合粉末。根据XRD测试结果可知,LaB6的添加没有改变SLM成形ZL205A试样的物相组成。随着LaB6含量增加,复合粉末试样的晶粒尺寸得到了明显的细化,柱状晶逐渐向等轴晶转变。LaB6的含量对复合粉末的组织性能有重要的影响,当LaB6含量为0.5 wt.%时,复合粉末试样的致密度最高为98.21%,且试样内部无明显缺陷,其显微硬度为96.2 HV,抗拉强度为320.5 MPa,延伸率为6.2%。LaB6含量增加到1 wt.%时,纳米LaB6颗粒开始团簇成微米级,在内部中形成缺陷,最终导致复合粉末试样拉伸性能降低。此外,LaB6含量的增加会使复合粉末试样的耐蚀性产生变化,试样的耐腐蚀性从高到低依次为0.5 wt.%LaB6/ZL205A、1 wt.%LaB6/ZL205A、ZL205A。对SLM成形0.5 wt.%LaB6/ZL205A试样进行热等静压处理。结果表明:HIP后样品中孔隙尺寸、数量明显减少,致密度近100%,说明HIP对于孔隙闭合具有较好效果。HIP前后试样的物相组成无变化,Al2Cu相呈现棱角清晰的分散颗粒状。SLM试样θ相的平均尺寸为0.29μm,面积占比为14.5%,SLM+HIP试样θ相的平均尺寸为1.2μm,θ相的面积占比较SLM试样减少了37.2%,为9.1%。HIP处理后,样品平均显微硬度为85.7 HV,较SLM试样略有降低。HIP后试样的压缩强度有所下降,SLM试样的屈服强度为305 MPa,抗压强度为550.3 MPa。SLM+HIP试样的屈服强度为190 MPa,抗压强度为420.1 MPa,但断裂应变由SLM试样的9.77%提升到11.87%。
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