銅添加助力增材制造鋁合金耐熱性提升

來(lái)源： 特種鑄造

采用選擇性激光熔化(SLM)法制備AlSi10Cu4Mg合金，將預(yù)合金AlSi10Mg和單質(zhì)Cu粉末混合，進(jìn)行180 ℃×2 h時(shí)效，在200～400 ℃范圍內(nèi)測(cè)試SLMed和SLM時(shí)效試樣的高溫拉伸性能，并比較變形過(guò)程中的顯微組織變化，深入探討合金的強(qiáng)化和軟化機(jī)理，為優(yōu)化AlSi10Mg合金的高溫力學(xué)性能提供參考。

選擇性激光熔化(SLM)是一項(xiàng)重要的增材制造(AM)技術(shù)，近年來(lái)在生產(chǎn)具有優(yōu)異力學(xué)性能的鋁合金方面日益突出。亞共晶AlSi10Mg合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、低熱膨脹、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等行業(yè)。因此，SLMed AlSi10Mg合金具有良好的室溫成形性和力學(xué)性能。然而，高溫下Si顆粒的粗化會(huì)對(duì)SLMed AlSi10Mg合金的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，限制其使用于低溫環(huán)境。因此，提高SLMed AlSi10Mg合金的耐熱性對(duì)于擴(kuò)大其在高溫環(huán)境中的適用性至關(guān)重要。

由于銅(Cu)價(jià)格低廉，且易于通過(guò)沉淀硬化技術(shù)形成各種耐熱納米顆粒，成為改善鋁合金高溫性能的極具潛力的元素。已有報(bào)道證明通過(guò)SLM工藝制備Cu改性AlSi10Mg合金的可行性，但Cu添加對(duì)SLMed AlSi10Mg合金高溫拉伸性能的影響鮮有報(bào)道，因此富Cu相和Si相在高溫下的演化和協(xié)同機(jī)制及其對(duì)熱變形行為的影響尚未明晰。

基于此，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)韓英教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有獨(dú)特的共晶網(wǎng)格和納米級(jí)Al-Cu析出相的組合的新型SLMed AlSi10Cu4Mg合金，通過(guò)評(píng)估合金的高溫拉伸性能，系統(tǒng)地研究了組織演變與變形行為的關(guān)系。研究結(jié)果以題為“High-temperature tensile properties of Cu-modified AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting”發(fā)表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

時(shí)效處理后，Si納米顆粒和富Cu相在基體中彌散分布。SLMed合金呈現(xiàn)出獨(dú)特的共晶網(wǎng)絡(luò)。200 ℃時(shí)，合金表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度為（327±2）MPa, 伸長(zhǎng)率為（25.5±0.5）%；時(shí)效處理后，合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)（381±3）MPa。但隨著溫度的升高，兩種合金的應(yīng)變硬化現(xiàn)象逐漸減弱，SLM時(shí)效試樣的強(qiáng)度增量逐漸減小，伸長(zhǎng)率增量增大。



高體積分?jǐn)?shù)Si納米顆粒附近的異常位錯(cuò)積累促進(jìn)了GNDs的發(fā)展，有助于200℃下的應(yīng)變硬化。這種獨(dú)特的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅增加了Si納米顆粒附近位錯(cuò)滑移的臨界分解剪應(yīng)力，并成為高應(yīng)力下有效和持續(xù)的位錯(cuò)源。由于Al2Cu相的亞穩(wěn)定轉(zhuǎn)變和Si納米顆粒的析出，時(shí)效處理進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。

SLMed合金的織構(gòu)類型主要為Cube{001}< 100>、Copper{112}<111>和P{011}<211>。而在SLM時(shí)效合金中，S{123}<634>織構(gòu)的含量顯著增加，成為主導(dǎo)織構(gòu)類型之一。在較高的溫度下，Si納米顆粒和θ’相粗化削弱強(qiáng)化效果。α-Al基體表現(xiàn)出連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化特性。時(shí)效處理加速了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率增加。