AlCu5MnCdVA铝合金的激光选区熔化成形熔凝行为研究

发布时间：2020-05-24 00:10

【摘要】：Al-Cu系铝合金因其具有比强度高、耐腐蚀性能好及质量轻等优点被广泛应用于航空航天、交通运输和国防工业等领域。然而,传统制造方法无法满足越来越复杂的铝合金零件的制备需求。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种新兴的高性能复杂金属零件增材制造技术,有望为具有复杂形状的铝合金零件特别是薄壁零件的制备提供有效方法。由于Al-Cu系铝合金的激光反射率高、热裂倾向大以及极易氧化等特点,其SLM成形研究非常缺乏,导致相关技术发展滞后。本论文以AlCu系铸造铝合金AlCu5MnCdVA作为研究对象,系统研究其SLM成形过程中的熔凝行为,具体包括:熔道形貌演变、缺陷形成机制及控制、显微组织与力学性能的关系、氧含量对成形过程的影响以及热处理的调控方法,实现了高性能的SLM成形。主要研究内容和结论如下:(1)基于接触界面截面模型,分析计算了SLM成形熔道接触角随工艺参数和热循环的演变规律。发现影响接触角演变的主要原因是熔池流动驱动力和流动时间,而不是界面张力决定的平衡状态。随着扫描速度的增加和扫描间距的增加,接触角增加;SLM成形水平热循环下,接触角随着扫描道数的增加先下降后趋于稳定;复杂热循环下,稳定接触角随着扫描层数的增加先增加后下降再趋于稳定。实验结果与之吻合良好。(2)在理论计算了SLM成形过程中激光吸收率及熔池尺寸的演变规律的基础上,系统实验研究了不同工艺参数下SLM成形的AlCu5MnCdVA合金的熔池尺寸及表面粗糙度及其随水平热循环、垂直热循环、复杂热循环的演变规律。结果表明:熔池宽度随着扫描速度和扫描间距的增加而下降;块体的表面粗糙度随着扫描速度的增加而先减小后增加,随着扫描间距的增加而增加。在水平热循环下,熔池宽度先变大后趋于稳定;在垂直热循环下,熔池宽度先减小后增大再趋于稳定,熔化穿透深度先增大后趋于稳定;在复杂热循环下,熔池的宽度和熔化穿透深度均先增大后趋于稳定,表面粗糙度先增加后下降再趋于稳定。熔道形貌随热循环的演变规律不受工艺参数影响。熔池的形貌演变受到热积累效应、熔池流动能力、熔池寿命、粉床激光吸收率和热传导能力的大小及方向共同影响。成形试样的表面粗糙度演变受到沿扫描方向的熔池起伏程度与垂直于扫描方向的稳定接触角共同影响。(3)研究了不同扫描速度及扫描间距下SLM成形AlCu5MnCdVA合金的缺陷特征及形成机制。结果表明:缺陷尺寸及形状与工艺参数存在显著的关系,随着扫描速度及扫描间距的增大,缺陷的平均尺寸增加,形状由圆形向线形转变。其中成形过程中产生的凝固裂纹为主要缺陷,其原因是由于糊状区液相回流不足,在局部应力作用下最终开裂。基于弗雷尔准则,本论文理论计算了SLM成形铝合金熔池产生凝固裂纹的条件,结果显示,随着扫描速度的增加,凝固裂纹产生倾向增大。采用优化的工艺参数,实现了无裂纹高致密度的成形,最大相对密度为99.9972%。(4)研究了SLM成形的AlCu5MnCdVA合金无裂纹试样的显微组织及力学性能。结果表明:力学性能随扫描速度变化不明显,并且不存在明显的各项异性。成形试样的显微组织主要由α-Al基体及平衡相Al2Cu组成,具有固溶度高、晶粒细小、织构较弱以及位错密度高等特点,其力学性能的主要强化机制为固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化及位错强化。强化模型计算结果表明细晶强化贡献最高。(5)研究了氧含量对SLM成形试样的成形质量、显微组织及力学性能的影响。结果表明:高氧(200 ppm)试样力学性能远远低于低氧(20 ppm)试样。在不影响成形质量情况下,试样无论在高氧(200 ppm)还是低氧(20 ppm)下成形,其相对密度、晶粒尺寸、相组成差异都很小,造成高氧试样在拉伸过程中提前断裂的原因是高氧试样中含有大尺寸的含氧化合物颗粒,这些大尺寸颗粒是在成形过程中通过化学反应生成的含氧化合物通过生长及碰撞形成。保护气氛中氧含量越高,生成的一级颗粒越多,最终颗粒的尺寸越大。因此对于铝合金,必须严格控制成形气氛中的氧含量。(6)对SLM成形试样的热处理技术进行了研究。结果表明:SLM成形的AlCu5MnCdVA合金试样由于本身处于过固溶状态,因此相较于传统工艺制造的AlCu5MnCdVA合金所需要的固溶时间更短;时效处理后的试样,第二相粒子强化占据主导强化因素,制件的不同力学性能主要受到析出相的种类、数量、尺寸及形态所影响。成形试样经过仅固溶处理后能获得优异的性能,其屈服强度、极限抗拉强度、延伸率分别为217.2 MPa、412.7 MPa和19.18%。不同时效处理的析出行为存在显著差异,随着时效温度的提高,析出相的种类及形态发生改变,生长速度增加,强度达到最大值所需要的时间缩短;随着时效时间的延长,析出相逐渐长大,强度先上升,但过于粗化的析出相使力学性能下降。弥散分布的θ''相是试样屈服强度显著上升的最直接原因,θ''相还会对试样的织构强度产生影响。热处理后,试样的拉伸强度大幅度提升。屈服强度和极限抗拉强度分别可以达到383.3 MPa和476.2 MPa,此时延伸率为7.85%,表现为混合型断裂。
【图文】：

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中科技大学博士学位论用振镜高速扫描，并结合较小的光斑直径（50-200μm）与制备的零件成形精度高，表面质量好；（3）工艺简单，制或者仅需喷砂和抛光类的简单后处理工艺；（4）省去模具周期短；（5）可根据用户需求，加工各种小批量、个性，可以加工的材料能从单一粉末到复合粉末、高熔点难熔，SLM 技术由于突破了传统制造技术在复杂结构成形上的杂结构的铝合金制件，推动铝合金在工业应用上的进一步航天、交通运输及国防工业等行业应用中保持重要地位。

序列,析出相,晶体结构,合金

两层 Cu 原子之间被三层 Al 原子隔开。θ''与基体完全共格，θ''与基体具有如下位向关系：(001)θ''//(001)α，(001)θ''//(010)α，(001)θ''//(100)α，<100>θ''//<100>α[20]。θ'的化学式是Al2Cu，是四方畸变的 CaF2结构，点阵常数为 a=4.05 ，c=5.81 。Shen 等人[21]利用准原位试验法研究了 Al-Cu 合金中的 θ'相的形成机制，结果表明：在 θ''相存在的情况下，θ'相由 θ''相经过原子重排原位转变形成。另外也有研究表明 θ'在位错、亚晶界和空位团等位置优先单独形核[22-24]。θ'与基体为半共格关系，，θ'与基体具有如下位向关系：{001}θ'//{001}α，<010>θ'//<010>α[25]。θ 相的化学式为 Al2Cu，是体心四方结构，点阵常数为 a=6.067 ，c=4.877 。其中，Cu 原子占据±(0,0,1/4)，Al 原子占据±( , +1/2,0), ±( +1/2, , 0)，其中 =0.1581[26]。θ 相是平衡相，其与基体非共格。在实际时效处理过程中，整个序列的相不一定都会出现。如果时效温度超过了析出序列中某一析出相的固溶温度，则该析出相及析出序列中之前的析出相均不会出现[27]。合金的析出行为受到元素的显著影响，在 Al-Cu 合金的析出过程中，Mn、Cd、In、Sn 等元素均能产生重要影响[22, 28-30]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TG665

【参考文献】