Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金选区激光熔融工艺研究
发布时间：2021-08-03 05:01
选区激光熔融因其成形零件精度高、复杂度不受限、成形性能优异等优势,成为金属3D打印应用最为广泛的一种粉床类工艺,在航空航天、国防军工等领域得到了广泛的应用。但在铝合金的SLM方面,成熟的材料仅局限于AlSi10Mg合金,且其力学性能尚不能满足一些中高强结构件的需求,因此对高强铝合金的选区激光熔融工艺提出了迫切的研制需求。本文针对具有析出相颗粒增强效应的Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金的选区激光熔融工艺开展如下研究:探索Al-Mg-Sc-Zr合金选区激光熔融成形过程中,激光功率、扫描速度等关键工艺参数对成形件致密度、表面粗糙度和组织性能的影响规律,获得了易于合金成形且成形合金性能优异的工艺参数窗口。成形合金的组织为熔池边界亚微米级的细小等轴晶和由边界向内部生长的微米级细长柱状晶,主要物相为过饱和固溶了 Mg、Sc、Zr等元素的α-Al相;成形合金的抗拉强度与致密度正相关,随治金缺陷增多而降低。经优化的SLM工艺参数为:激光功率300W、扫描速度800mm/s、扫描间距0.15mm、层厚度30μm、层间转角67°;在此成形工艺下,获取了致密度到达到99.84%、抗拉强度338MPa、断后伸...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１选区激光熔融的工艺原理图??高强铝合金的选区激光熔融增材制造还很不成熟
的润湿性问题，熔滴与基底的润湿性较差会造成严重的球化现象，??以致层间搭接不良、影响铺粉与表面质量。金属液体与周围气体、成形固体的界面张力??影响着焴化后金属液滴的形状，由Ｙｏｕｎｇ方程可知，??ｃｏｓｅ＝Ｚｓｖｚ＾?（１－２）??（＾ＬＶ??式（１－２）中０为浸润角；为液－气界面张力（Ｎ／ｍ）；?为固－气界面张力（Ｎ／ｍ）；??％?为固－液界面张力（Ｎ?／?ｍ）。润湿角的大小反映了液体对固态表面的浸润程度，润湿角越??小，润湿性越好。若〇＾＞仏，则〇＜０＜９〇°，表面润湿情况如图１．２（ａ）所示，熔融金属??较稳定地铺展在凝固金属表面。当０＞９〇°时，表面润湿情况如图１．２（ｂ）所示，固－液、固??－气、液－气表面张力形成合力，合力指向熔融液体内部，导致固－液不润湿，熔融金属的??铺展不稳定。??（ａ）?（７ｌｖ?（ｂ）??＞?气体?￥?气体??ａｓｖ?ｆｆｓｖ?Ｉ?Ｊ??＼＼＼＂＼＼＼＼?＼＼＼＼Ｖ＼＼??固体?固体??图１．２润湿现象：（ａ）金属液润湿基体；（ｂ）金属液不润湿基体??４??
研究??中北大学的张格等从金属液与固体界面的润湿性和液滴ｔ溅两方面分析了球化现??象，认为选用细小均匀的粉末及使用较大能量密度可抑制球化现象１３７１。华南理工大学的??杨永强等分析了金属熔池球化的演变机制及抑制措施，将烙池分为阁１．３所示的丨？．部熔??池和下部熔池，认为上部熔池在表面张力作用卜总有球化趋势，而增大下部熔池则有助??ｒ？消除丨？．部熔池的球化现象１３８１。??上部熔池?第二类液间界面?粉末颗粒??＼?＼?ｒｐｕ－Ｃｈ?／??扫描方Ｈ?＠?第一类液固界面??图１．３激光熔融粉末后上部熔池球化演变图??就熔池凝同过程晶休的生长Ｈ题，ＳＬＭ过程中熔融金厲的凝凼过稈４激光焊接原??理相Ｎ。激光的能Ｍ：密度对粉末材料的作）丨］时间决定ＳＬＭ过税的状态，Ｍ之对应／啡??？的温；奴弟度（Ｇ），凝丨々丨速中．（Ｒ）和冷却速牛：（ｄＴ／ｄｔ?＝?ＧＲ）。比丨｜＇｜：Ｇ／Ｒ增加会Ｗ■？致??凝Ｎ结品形态从枝晶到胞晶逐渐变化，并不断向前少长。此外，冷却速度（ＧＲ）越大，??过冷程度越大，产生的晶粒也会更细校因此，参数（Ｇ／Ｒ）和（ＧＲ）分别控制微观??结构的类型和微观结构的尺度。在ＳＬＭ中，瞬态非平衡的金属液体在快速凝同过利会??出现异质形核和外延斗：长１３９１熔池边界的温度梯度大，凝固速率快，因此通常异质形核，??均匀形成细小的等轴品；而熔池内部温度梯度小，凝凼速度相对较慢，因此Ｍ常会沿着??％轴品外延屮氏形成枝品，如图１．４所示。因此ＳＬＭ成形金Ｍ的微观纟丨１织较为特别，成??形合金的性能也因此而产４：?ｆ外向异忭｜４（）｜。??馳??外延结品??图１．４快速非平衡凝固过程中晶体的外延生长??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝合金选区激光熔化精密成形及其在航空领域的应用[J]. 甘武奎,彭金贵,李仕豪,夏文强,汪志太,徐志锋. 航空制造技术. 2019(16)
[2]增材制造（3D打印）分类及研究进展[J]. 杨延华. 航空工程进展. 2019(03)
[3]高强铝合金增材制造技术的研究进展[J]. 邹田春,欧尧,秦嘉徐. 热加工工艺. 2018(20)
[4]热处理对选区激光熔化成形AlSi10Mg合金显微组织及力学性能的影响[J]. 余开斌,刘允中,杨长毅. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(03)
[5]基于SLM的工艺参数对TC4合金成形件性能的影响[J]. 黄建国,余欢,徐志锋,汪志太,刘志权. 特种铸造及有色合金. 2018(04)
[6]金属增材制造技术的研究现状[J]. 周宸宇,罗岚,刘勇,吴进. 热加工工艺. 2018(06)
[7]选区激光熔化铝合金基底表面形貌对轨道润湿行为的影响（英文）[J]. Jie LIU,Dong-dong GU,Hong-yu CHEN,Dong-hua DAI,Han ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2018(02)
[8]SLM激光快速成型Al-Si合金组织及力学性能分析[J]. 康梦瑶,白培康,刘斌. 热加工工艺. 2018(02)
[9]钛及钛合金激光选区熔化技术的研究进展[J]. 李俊峰,魏正英,卢秉恒. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[10]金属零件激光选区熔化技术的现状及进展[J]. 杨永强,陈杰,宋长辉,王迪,白玉超. 激光与光电子学进展. 2018(01)
博士论文
[1]AlCu5MnCdVA铝合金的激光选区熔化成形熔凝行为研究[D]. 胡志恒.华中科技大学 2018
[2]Al-Mg-Sc和Al-Mg-Sc-Zr合金的性能与组织结构研究[D]. 潘青林.中南工业大学 2000
硕士论文
[1]选区激光熔化成形镍基合金结构的工艺研究[D]. 钱雪立.青岛理工大学 2016
本文编号：3318985
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１选区激光熔融的工艺原理图??高强铝合金的选区激光熔融增材制造还很不成熟
的润湿性问题，熔滴与基底的润湿性较差会造成严重的球化现象，??以致层间搭接不良、影响铺粉与表面质量。金属液体与周围气体、成形固体的界面张力??影响着焴化后金属液滴的形状，由Ｙｏｕｎｇ方程可知，??ｃｏｓｅ＝Ｚｓｖｚ＾?（１－２）??（＾ＬＶ??式（１－２）中０为浸润角；为液－气界面张力（Ｎ／ｍ）；?为固－气界面张力（Ｎ／ｍ）；??％?为固－液界面张力（Ｎ?／?ｍ）。润湿角的大小反映了液体对固态表面的浸润程度，润湿角越??小，润湿性越好。若〇＾＞仏，则〇＜０＜９〇°，表面润湿情况如图１．２（ａ）所示，熔融金属??较稳定地铺展在凝固金属表面。当０＞９〇°时，表面润湿情况如图１．２（ｂ）所示，固－液、固??－气、液－气表面张力形成合力，合力指向熔融液体内部，导致固－液不润湿，熔融金属的??铺展不稳定。??（ａ）?（７ｌｖ?（ｂ）??＞?气体?￥?气体??ａｓｖ?ｆｆｓｖ?Ｉ?Ｊ??＼＼＼＂＼＼＼＼?＼＼＼＼Ｖ＼＼??固体?固体??图１．２润湿现象：（ａ）金属液润湿基体；（ｂ）金属液不润湿基体??４??
研究??中北大学的张格等从金属液与固体界面的润湿性和液滴ｔ溅两方面分析了球化现??象，认为选用细小均匀的粉末及使用较大能量密度可抑制球化现象１３７１。华南理工大学的??杨永强等分析了金属熔池球化的演变机制及抑制措施，将烙池分为阁１．３所示的丨？．部熔??池和下部熔池，认为上部熔池在表面张力作用卜总有球化趋势，而增大下部熔池则有助??ｒ？消除丨？．部熔池的球化现象１３８１。??上部熔池?第二类液间界面?粉末颗粒??＼?＼?ｒｐｕ－Ｃｈ?／??扫描方Ｈ?＠?第一类液固界面??图１．３激光熔融粉末后上部熔池球化演变图??就熔池凝同过程晶休的生长Ｈ题，ＳＬＭ过程中熔融金厲的凝凼过稈４激光焊接原??理相Ｎ。激光的能Ｍ：密度对粉末材料的作）丨］时间决定ＳＬＭ过税的状态，Ｍ之对应／啡??？的温；奴弟度（Ｇ），凝丨々丨速中．（Ｒ）和冷却速牛：（ｄＴ／ｄｔ?＝?ＧＲ）。比丨｜＇｜：Ｇ／Ｒ增加会Ｗ■？致??凝Ｎ结品形态从枝晶到胞晶逐渐变化，并不断向前少长。此外，冷却速度（ＧＲ）越大，??过冷程度越大，产生的晶粒也会更细校因此，参数（Ｇ／Ｒ）和（ＧＲ）分别控制微观??结构的类型和微观结构的尺度。在ＳＬＭ中，瞬态非平衡的金属液体在快速凝同过利会??出现异质形核和外延斗：长１３９１熔池边界的温度梯度大，凝固速率快，因此通常异质形核，??均匀形成细小的等轴品；而熔池内部温度梯度小，凝凼速度相对较慢，因此Ｍ常会沿着??％轴品外延屮氏形成枝品，如图１．４所示。因此ＳＬＭ成形金Ｍ的微观纟丨１织较为特别，成??形合金的性能也因此而产４：?ｆ外向异忭｜４（）｜。??馳??外延结品??图１．４快速非平衡凝固过程中晶体的外延生长??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝合金选区激光熔化精密成形及其在航空领域的应用[J]. 甘武奎,彭金贵,李仕豪,夏文强,汪志太,徐志锋. 航空制造技术. 2019(16)
[2]增材制造（3D打印）分类及研究进展[J]. 杨延华. 航空工程进展. 2019(03)
[3]高强铝合金增材制造技术的研究进展[J]. 邹田春,欧尧,秦嘉徐. 热加工工艺. 2018(20)
[4]热处理对选区激光熔化成形AlSi10Mg合金显微组织及力学性能的影响[J]. 余开斌,刘允中,杨长毅. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(03)
[5]基于SLM的工艺参数对TC4合金成形件性能的影响[J]. 黄建国,余欢,徐志锋,汪志太,刘志权. 特种铸造及有色合金. 2018(04)
[6]金属增材制造技术的研究现状[J]. 周宸宇,罗岚,刘勇,吴进. 热加工工艺. 2018(06)
[7]选区激光熔化铝合金基底表面形貌对轨道润湿行为的影响（英文）[J]. Jie LIU,Dong-dong GU,Hong-yu CHEN,Dong-hua DAI,Han ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2018(02)
[8]SLM激光快速成型Al-Si合金组织及力学性能分析[J]. 康梦瑶,白培康,刘斌. 热加工工艺. 2018(02)
[9]钛及钛合金激光选区熔化技术的研究进展[J]. 李俊峰,魏正英,卢秉恒. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[10]金属零件激光选区熔化技术的现状及进展[J]. 杨永强,陈杰,宋长辉,王迪,白玉超. 激光与光电子学进展. 2018(01)
博士论文
[1]AlCu5MnCdVA铝合金的激光选区熔化成形熔凝行为研究[D]. 胡志恒.华中科技大学 2018
[2]Al-Mg-Sc和Al-Mg-Sc-Zr合金的性能与组织结构研究[D]. 潘青林.中南工业大学 2000
硕士论文
[1]选区激光熔化成形镍基合金结构的工艺研究[D]. 钱雪立.青岛理工大学 2016
本文编号：3318985
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