【摘 要】
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随着航空工业的发展,应用于该领域的零件逐渐趋向于轻量化、个性化、结构复杂化和功能一体化发展。使用传统减材加工工艺对这些零件进行加工制造,其生产周期长、制造成本高且难以保证零件具备较高的尺寸精度和综合性能。而通过增材制造技术对航空航天零件进行结构优化和个性化设计可以更好的实现这些特征,尤其是针对形状复杂,尺寸较小的蜂窝类结构零件和功能系统部件,采用增材制造技术对其进行整体制造,在提高构件整体性能的同
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随着航空工业的发展,应用于该领域的零件逐渐趋向于轻量化、个性化、结构复杂化和功能一体化发展。使用传统减材加工工艺对这些零件进行加工制造,其生产周期长、制造成本高且难以保证零件具备较高的尺寸精度和综合性能。而通过增材制造技术对航空航天零件进行结构优化和个性化设计可以更好的实现这些特征,尤其是针对形状复杂,尺寸较小的蜂窝类结构零件和功能系统部件,采用增材制造技术对其进行整体制造,在提高构件整体性能的同时可以显著缩短零件加工周期和制造成本。选区激光熔化作为一种基于粉末床的增材制造技术,它可以实现对复杂结构零件一次成形,在航空航天构件制造中具有广阔的应用前景。铝合金材料的凝固区间较大,在选区激光熔化快速凝固条件下,容易产生气孔和裂纹缺陷,显著降低打印构件的力学性能。而通过粉末成分优化可以有效细化构件晶粒尺寸,消除裂纹缺陷,提高打印构件综合性能。本文采用AlMg14ScZr合金粉末进行选区激光熔化工艺试验,并针对合金试样的成形质量、组织性能和强韧机制进行了相关研究。首先,研究了AlMg14ScZr合金的选区激光熔化成形质量,主要包括SLM工艺参数对打印试样成形质量的影响规律。研究发现:块体试样的表面成形与单道试样的成形质量和堆垛排列相关,在合理的工艺条件下,打印试样表面球化及凹坑缺陷消失,表面粗糙度最低为7.1μm。在激光能量密度为267 J/mm3时,试样致密达到最大,为99.4%。在低能量密度时,由于金属粉末熔化不充分及液态金属铺展润湿不良,气孔缺陷多为不规则形状,在试样内部呈弥散分布;高能量密度时,合金中低熔点镁元素烧损,气孔缺陷多为圆形,在试样内部随机分布。同样的激光能量密度下,打印试样的致密度仍存在一定差别。对比不同试样内部气孔缺陷发现,大激光功率高扫描速度条件下,更容易引发打印过程的不稳定性,导致气孔缺陷增多。在打印效率允许的条件下,采用小激光功率低扫描速度,可以显著提高AlMg14ScZr合金的成形质量。其次,分析了AlMg14ScZr合金试样的微观组织及综合性能。常规铝合金的凝固区间较宽,在选区激光熔化快速凝固条件下,极易产生粗晶和裂纹缺陷。通过优化合金粉末成分,可以缩小其凝固区间,减小晶粒粗化和开裂倾向。AlMg14ScZr合金组织为交替分布的等轴细晶区和粗晶区,细晶区分布在熔池边界,粗晶区位于熔池内部。在160 W-200 mm/s条件下,试样上表面和侧面的平均晶粒尺寸分别为1.82μm和2.67μm。基于细晶强化效果,AlMg14ScZr试样具有较好的耐蚀、耐磨及力学性能。打印态合金的腐蚀电流密度为0.148μA cm-2,极化电阻为20.1×104Ω*cm2,并在-750 m V-850 m V的区间内表现出较好的钝化行为。试样的摩擦系数为0.1~0.14,磨损速率为1.81×10-4~3.64×10-4 mm3/Nm。在单次扫描-67°旋转扫描策略时,试样抗拉强度为488 MPa,断后伸长率为17%。与SLM打印的其他铝合金相比,AlMg14ScZr合金表现出较好的综合性能。最后,对时效处理后AlMg14ScZr合金的组织性能及强韧机制进行分析。325℃时效处理过程中,合金晶粒尺寸基本不变,证明该合金具有较好的热稳定性。保温时间为24 h时,试样平均晶粒尺寸为2.84μm,相比于打印态(2.67μm)仅增加了6.4%。同时;打印试样在中温区间也表现出良好的力学性能,在473 K(200℃)和523 K(250℃)时,试样抗拉强度分别为394 MPa和254 MPa。325℃时效处理后,合金的力学性能先升高后降低,保温时间为12 h时,抗拉强度达到最大值,为580.0 MPa,且断后伸长率并未降低,为18%。通过对试样微观组织进行表征,发现AlMg14ScZr合金强韧机制主要包括固溶强化、细晶强化、第二相强化和层错堆垛强化,其中固溶强化占主要部分,引起合金强度增值为165~171 MPa。SLM打印AlMg14ScZr合金的密度为2.54 g/cm3,同时兼具高强高韧、耐热耐磨耐蚀等综合性能,该合金将为航空航天复杂结构件的制备提供一种新的选择方案。
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