高强硅黄铜合金的选区激光熔化工艺与组织性能研究

发布时间：2020-06-19 23:22

【摘要】：硅黄铜合金具有良好的力学性能、耐蚀性能、加工性能等优异的综合性能,从而成为制造业广泛使用的工程材料。针对传统铸造工艺存在的难以成型形状复杂、薄壁的个性化工程零件,且存在生产周期长、模具成本高的局限性。而选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术以其独特的技术优势,有望解决以上铸造硅黄铜合金及其产品存在的问题,扩大其应用范围。然而,适合SLM工艺的合金组成元素通常需要满足激光吸收率较高、导热系数较低、不含低沸点挥发性元素等三个基本物性要求。毫无疑问,硅黄铜合金不满足这三个基本物性要求。有鉴于此,本文开展了高强硅黄铜合金的选区激光熔化工艺优化与组织性能研究,以期破解以上形状复杂硅黄铜合金的制备难题与SLM的工艺难题。首先,采用雾化法制备硅黄铜粉末,采用筛网及气流分级处理,得到粒度分布为15～53μm、平均粉末尺寸为27.87μm的球形硅黄铜合金粉末。XRD和SEM分析表明,粉末由面心立方结构(fcc)的a-Cu(Zn,Si)相和密排六方结构(hcp)的Cu7Si相组成,粉末内部由柱状晶和胞状晶组成。因含有易挥发性的锌元素,故在SLM成型硅黄铜合金的过程中存在明显的气体挥发和粉末飞溅现象,挥发气体由71.2 vol.%的ZnO和28.8 vol.%的α-Cu组成。激光功率与扫描速率对SLM硅黄铜合金的致密度和表面粗糙度有重要影响。得到的最佳工艺参数为:激光功率190W,扫描速率200mm/s,铺粉厚度30μm,扫描间距80μm,其成型件致密度高达98.8%,表面粗糙度为11.5μm。随后,在最佳工艺参数下通过SLM技术成型高强硅黄铜合金,合金试样由fcc的α-Cu(Zn,Si)相和hcp的Cu7Si相组成,存在着明显的(100)织构,微观结构为胞状晶和柱状晶混合组织。TEM分析表明其微观结构为晶粒尺寸80-210 nm的等轴晶Cu7Si弥散分布在晶粒尺寸350-700 nm的等轴晶α-Cu相晶界,且等轴晶α-Cu中包含大量纳米尺寸的孪晶。EBSD分析表明试样中存在典型的高斯织构{110}001。拉伸力学性能测试表明,其呈现出275 MPa的屈服强度,371.5MPa的抗拉强度,7.5%的断裂塑性,156HV的显微硬度,且屈服强度和显微硬度远高于同成分铸造合金。电化学腐蚀结果表明SLM成型硅黄铜合金耐腐蚀性能优于同成分铸造合金。最后,研究了退火温度和保温时间等热处理工艺对SLM硅黄铜相组成、显微组织、微观织构、力学性能、电化学腐蚀性能等的影响规律。退火处理后,Cu7Si相完全固溶于α-Cu(Zn,Si)基体中,微观形貌由退火前的胞状晶和柱状晶混合组织转变为等轴晶组织和退火孪晶,试样中初始织构减弱,退火处理试样发生小角度晶界向大角度晶界的转变。同时,随着退火温度和保温时间的增加,试样中大角度晶界的比例逐渐增加,且在850℃退火(保温1h)和保温4h(600℃)时达到最大值,分别为98.36%和93.36%;Σ3晶界的比例也逐渐增加,显微硬度逐渐降低,断裂塑性逐渐提高,电化学腐蚀性能逐渐提高。总之,本课题针对不满足以上三个基本物性要求的硅黄铜合金,通过实验探索优化出高强硅黄铜合金的SLM制备工艺,进而通过热处理工艺进一步改善SLM硅黄铜合金的组织性能。因此,本研究可显著拓展SLM技术适用的合金成分范围与硅黄铜合金的应用领域,具有重要的科学与工程意义。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665

【参考文献】