QCr0.8和Cu10Zn铜合金的激光选区熔化成形工艺及组织性能研究

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铜合金具有优异的导电导热、耐腐蚀性、易加工等特点,被广泛应用于电力电子、航空航天、石油化工等领域。随着航天航空和交通领域构件轻量化、结构功能一体化的强劲需求,构件形状越来越复杂,传统加工方法难以制备。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)有望解决复杂形状铜合金构件制备难的现状。然而,由于极高的激光反射率和导热率,至今铜合金的SLM成形研究还很少,特别是针对具有广阔应用前景的高铜和黄铜合金。本文主要针对SLM成形Cu10Zn黄铜与QCr0.8高铜合金的熔凝行为、冶金缺陷及其组织性能等开展研究,获得了两种铜合金的高性能高质量SLM成形。论文主要研究内容和结果如下:(1)通过理论计算SLM成形Cu10Zn与QCr0.8合金单道中心温度、熔池存在时间和熔滴完全铺展时间,研究了SLM成形两种铜合金的熔凝行为及其异同,并获得了得到规则稳定熔道的优化工艺参数。发现与铁基合金及铝合金相比,同样情况下SLM成形Cu10Zn与QCr0.8合金需要的激光功率高得多。两种铜合金相比,同样工艺参数下,SLM成形Cu10Zn合金单道的熔池存在时间和熔滴铺展时间均略大于QCr0.8合金。同样激光功率下,成形Cu10Zn合金获得规则稳定熔道的临界扫描速度略小于QCr0.8合金。由于Zn元素汽化造成对熔池的反冲压力,SLM成形Cu10Zn合金熔道表面粗糙度大于QCr0.8。降低激光功率可以有效减少SLM成型Cu10Zn合金熔池的反冲压力,有利于获得光滑的熔道。(2)研究了SLM成形Cu10Zn和QCr0.8两种铜合金的冶金缺陷和致密行为。发现其冶金缺陷为孔洞,无裂纹。当输入的激光能量大时,为近圆形孔洞;当激光能量小时,为不规则的未熔合孔洞。通过优化工艺参数,实现了大于99.9%相对密度的Cu10Zn与QCr0.8合金的SLM致密成形。(3)SLM成形QCr0.8合金的微观组织为沿成形方向生长的柱状晶,柱状晶内部有细小胞晶,相组成为α-Cu、Cr与Cr2O3析出相。随着扫描速度的增大,微观组织中固溶在Cu基体中的Cr含量增大,晶粒尺寸减小,平行于z方向的晶粒择优取向逐渐从<1 0 0>方向变为<1 1 0>方向。相比于锻后退火态,SLM成形QCr0.8合金沉积态的抗拉强度和屈服强度高,而延伸率和导电率低。SLM成形Cu10Zn合金的微观组织也为柱状晶,晶粒择优取向为<1 0 0>方向。与传统锻后退火态相比,SLM成形Cu10Zn合金的抗拉强度提高了10%,延伸率降低了25%,导电率相当。(4)系统研究了固溶、固溶+时效以及时效热处理制度对SLM成形QCr0.8合金组织和性能的影响。发现SLM成形QCr0.8合金进行固溶处理时存在一固溶温度阈值,当固溶处理的温度高于该阈值时,Cr粒子才能固溶进入Cu基体中。本实验中,该温度阈值为1000oC,最佳固溶温度为1020oC。经过固溶+时效处理后,微观组织中位错减少,Cr粒子从Cu基体中析出,力学性能与导电性较沉积态大幅度提高。但是经过直接时效处理后,微观组织中位错无减少,也有大量Cr粒子析出,且其体积分数大于经固溶和时效处理的试样,因此直接时效后试样的力学性能和导电性能最好,其抗拉强度、屈服强度、延伸率和导电率可分别达到:468.0MPa、377.3MPa、19.2%和98.3%IACS,强度和导电性均远高于锻后退火态。单独固溶处理后的试样位错密度降低,析出相减少,其腐蚀性能最好。(5)采用扫描策略与微合金化的方法对SLM成形QCr0.8合金的组织和性能进行了调控。发现随着相位角的变化,SLM成形QCr0.8合金的微观组织、晶粒取向均发生改变。经过时效处理后,采用不同相位角成形试样的导电率几乎相同;由于相位角为90o时晶粒尺寸最小,因此90o相位角成形的试样在经过时效处理后强度最高。添加Zr元素不仅可以细化SLM成形QCr0.8试样沉积态的晶粒,还可以在时效处理时钉扎晶界,时效处理后晶粒不会长大。在添加量为0.1wt%-0.3wt%时,添加量为0.1wt%时的QCr0.8合金成形后得到的晶粒平均尺寸最小,显微硬度与导电性最大。经过时效热处理后,添加Zr元素试样的显微硬度与导电性均较沉积态显著增大,与未添加Zr元素试样相比,显微硬度大大提高,而导电率降低。
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