供稿人：尚巖、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-06-25
SLM作為最有前景的增材制造技術(shù)之一，為復(fù)雜金屬零部件的制造帶來了巨大的機(jī)遇。鋁合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。但由于SLM工藝固有的冷卻速率快、溫度梯度大等特點，現(xiàn)有牌號的鋁合金在用SLM進(jìn)行制備過程中常會出現(xiàn)晶粒粗大、熱裂紋等問題，嚴(yán)重影響了制件的使用性能。
在傳統(tǒng)的鋁合金鑄造過程中，摻入Ti元素是促進(jìn)晶粒細(xì)化的常用方法。鑒于此，華中科技大學(xué)的研究人員基于裂紋敏感性指數(shù)和生長限制因子的熱力學(xué)計算，開發(fā)了一種適用于SLM的具有精細(xì)等軸顯微組織和高強(qiáng)度的無裂紋Ti改性的Al-2.25Cu-1.8Mg合金，并詳細(xì)解釋了Ti改性鋁合金的合金成分設(shè)計、裂紋消除機(jī)制和顯微組織演變過程。
圖1所示為Ti改性的Al-Cu-Mg合金在SLM過程中的顯微組織，可以明顯看到，Al-Cu-Mg合金中伸長的Al枝晶在Ti改性后演變成等軸顯微組織。圖1（b）顯示了高倍放大的TEM明場圖像，其中α-Al晶胞的尺寸約為1-2 μm，析出物既存在于晶粒內(nèi)部，也存在于晶界處。
圖1 SLM加工Al-Cu-Mg合金的顯微組織(a)橫截面SEM顯微照片; (b)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的TEM明場圖像
圖2（a）顯示了Al-Cu-Mg合金在SLM過程中的織構(gòu)粗晶粒結(jié)構(gòu)，這是由于熔體過熱以及缺乏形核條件造成的；圖2（b）所示為Ti改性的Al-Cu-Mg合金在SLM過程中的精細(xì)均勻等軸顯微組織；圖2（c）所示為Ti元素的添加對晶粒細(xì)化的影響，其中Al-Cu-Mg合金的平均晶粒尺寸（6.64 μm）是Ti/Al-Cu-Mg合金（1.64 μm）的近4倍。
圖2 SLM制造的(a)Al-Cu-Mg和(b)Ti/Al-Cu-Mg樣品的EBSD側(cè)視取向圖; (c)粒度分布圖
此外，研究人員還對兩種合金進(jìn)行了力學(xué)性能測試，試驗結(jié)果表明， Ti改性的Al-Cu-Mg合金零件具有426.4 ± 6.4 MPa的抗拉強(qiáng)度，293.2 ± 7.4 MPa的屈服強(qiáng)度和9.1 ± 0.7%的斷裂伸長率，而由于熱裂紋的存在，未經(jīng)改性的Al-Cu-Mg合金零件的抗拉強(qiáng)度僅為173.2 ± 20.3 MPa，斷裂伸長率小于2%。