高强度铝合金Al 2024激光增材制造组织与性能研究

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Al 2024铝合金作为一种Al-Cu-Mg铝合金具有比强度高、耐疲劳、易加工等优点,同时也可以通过固溶时效热处理优化其性能,广泛应用于航空、航天、轨道交通、汽车等领域。增材制造技术相比于传统的减材制造,具有加工周期短、节约材料、结构设计限制少等优点。但Al 2024具有十分强烈的热裂纹敏感性,因此提高Al 2024激光增材制造的稳定性,降低热裂纹敏感性,提高致密度,具有十分重要的意义。本文采用激光金属沉积技术(LMD),对Al 2024合金及其复合材料的LMD工艺进行研究。研究了激光金属沉积制备Al 2024单道多层和多道多层试样的组织和性能演变规律。分析了几种不同沉积路径和氧含量对激光金属沉积Al 2024组织和性能的影响机理。通过对试样的热处理,进一步优化提升了LMD成形Al 2024的性能。为了改善Al 2024的组织均匀性和提升性能,在Al 2024粉末中添加TiB2颗粒,研究了TiB2颗粒增强Al 2024 LMD过程中的组织演变规律和热处理组织性能。首先在单道多层试验中,发现双向沉积过程中相比于单向沉积具有更为稳定的热输入,试样的几何形貌更稳定,组织更为致密。在激光金属沉积独特的热作用下,Al 2024形成等轴晶区、柱状晶区和细晶区。单向沉积和双向沉积试样的拉伸性能均高于Al 2024铸造态的拉伸性能。在多道多层试验中,交叉沉积具有更稳定的成形过程,微观组织更为致密,达到98.90%。通过降低加工环境中的氧含量,抑制成形过程中的氧化,提高宏观成形质量、致密度和拉伸性能。但通过有限的空间控制氧含量,导致加工环境的温度升高,散热条件恶化,导致Al 2024中生成粗大的T-Al20Cu2Mn3相降低了材料的塑性。随后为了消除LMD成形过程中的组织不均匀性,提高材料的性能,对试样进行了热处理。在T6的热处理后,低氧环境下成形试样的T-Al20Cu2Mn3相未能消除,大气环境成形试样在T6热处理过程中,产生了T-Al20Cu2Mn3相,热处理后试样的性能恶化。在固溶处理10小时,时效处理15小时后,水平方向和竖直方向性能趋于一致,且接近锻件水平。最后为了提高Al 2024 LMD成形性能,向Al 2024粉末中添加不同含量的TiB2颗粒强化。在TiB2颗粒含量为0.5%时组织最为致密,晶粒细化。TiB2颗粒有效的提高了材料的硬度,拉伸强度有一定的提高,材料磨损性能得到优化。通过均匀化热处理,复合材料的中的二次相充分固溶;经过时效处理后,二次相弥散析出。通过比较不同时效时间对复合材料的组织和拉伸性能,在时效10小时后获得最佳的强化效果。
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