热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响

采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)法成功制备AlSi10Mg合金样品,研究130℃/4 h时效处理、236℃/10 h退火处理和540℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响,以及热处理后AlSi10Mg合金在室温~400℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明:时效处理后铝基体中析出球状的Si颗粒,仍然保留完整的网状共晶硅组织;退火后,网状共晶硅完全消失,球化Si颗粒均匀分布在基体中;固溶处理后出现大的块状Si颗粒,尺寸在1~3μm;经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400℃的热膨胀系数为1.64×10^(−5)~2.1×10^(−5)℃^(−1),平均热导率为179.6 W·m^(−1)·K^(−1),性能优于时效处理和固溶处理。

不同取向下选区激光熔化TA1-AlSi10Mg合金的动态响应行为

本文在分离式Hopkinson压杆装置上系统地进行了动态压缩实验,研究了成形方向对选区激光熔化(SLM) Ti-Al-Si系合金在不同应变率压缩载荷下的动态力学性能和断裂行为的影响。动态压缩试验在样品上进行,样品的成形方向平行(0˚)、对角(45˚)、垂直(90˚)于压缩方向。讨论了合金的初始组织、动态压缩应力–应变响应、冲击吸收功、应变率硬化效应和断裂行为。结果表明:3种取向的样品均具有明显的应变率敏感性,0˚样品具有较好的屈服强度,90˚样品具有较好的冲击吸收功;0˚样品在低于45˚、90˚样品的应变率下发生断裂,三种取向的样品的断口形貌都具有韧性韧窝和光滑表面,表明样品同时存在韧性断裂和脆性断裂。

固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金显微组织、拉伸性能和残余应力的影响

利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验和拉曼光谱仪研究固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金的显微组织、拉伸性能和残余应力的影响规律。结果表明:沉积态合金组织细小,强度较高,但存在明显的各向异性和较大的残余拉应力。直接人工时效后,抗拉强度和屈服强度均明显提升,但熔池和共晶硅的形貌与沉积态合金基本相同。固溶处理可以显著改善组织和拉伸性能的各向异性,彻底消除残余拉应力,但导致组织粗化,合金的抗拉强度和屈服强度仅为沉积态的50%左右。在固溶处理的基础上进行人工时效,合金的组织特征、各向异性和残余应力情况无明显变化,抗拉强度和屈服强度分别达到330 MPa和270 MPa,断后伸长率约为10%~11%。人工时效后强度的提升主要得益于GP区的析出。

原位表面改性的纳米WC/AlSi10Mg合金增强机制

采用静电自组装工艺合成-系列不同纳米WC含量的表面改性Al Si10Mg粉末,并使用激光选区熔化(SLM)技术制备纳米WC/AlSi10Mg复合材料。结果表明,SLM制备的纳米WC/AlSi10Mg材料中形成多种Al-W金属间化合物相,通过(002)(α(Al))//(104)Al_(5)W的取向关系,证实具有4.7%的低晶格失配度的Al/Al5W可形成良好共格界面。纳米WC颗粒和Al-W相可促使柱状晶转变为等轴晶,获得精细的等轴晶组织。同时,SLM制备的3%(质量分数)纳米WC/Al Si10Mg复合材料具有最优的力学性能,抗拉强度为(464.1±8.68) MPa,伸长率为(5.6±0.95)%。此外,与其他WC/AlSi10Mg复合材料相比,SLM制备的3%WC/AlSi10Mg样品的平均摩擦因数和磨损率最低,分别为0.429和3.842×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。力学和磨损性能的提升主要归因于晶粒细化和第二相析出强化作用。

基于粉末床技术的增材制造AlSi10Mg合金研究进展

基于粉末床技术的增材制造AlSi10Mg合金,因其快速制造、设计灵活性高、成本低等优势,在汽车和航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而,由工艺参数不当引起的孔隙和裂纹等缺陷,以及与熔池相关的独特微观结构,仍然影响打印部件的性能,这是激光选区熔化(SLM)面临的主要问题之一。而在电子束选区熔化(EBM)制造AlSi10Mg合金中,元素蒸发导致的强度下降是其主要问题,且技术应用较少。本文对SLM和EBM两类技术在AlSi10Mg合金中的应用现状和难点问题进行了总结与对比,两类技术所制造的打印部件在组织和性能上呈现出明显的差异。求解工艺−组织−性能之间的关系,以及开发增材制造技术(AM)专用合金粉末体系,是SLM和EBM技术打印AlSi10Mg合金共同面临的挑战,因此有必要进行综合考虑。同时,针对这些问题,本文讨论了未来的研究方向与发展趋势。

扫描策略对激光熔融AlSi10Mg合金制件组织性能的影响

采用单向扫描、双向扫描、交叉扫描和双向单通道层旋90°扫描四种扫描策略与SLM工艺参数:激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度进行正交组合,对AlSi10Mg合金制件的表面形貌、显微硬度、密度和力学性能进行研究。结果表明:孔隙率是降低表面粗糙度的主要原因;采用交叉扫描策略改善了制件的表面质量,使制件显微硬度达到了231.44 HV,但能量密度与显微硬度呈现负相关;扫描策略对密度影响较为显著,高重叠率扫描策略得到的试件密度高于低重叠率扫描策略;相同扫描策略下,制件的力学性能与能量密度呈正相关。极差和方差分析结果显示,激光功率和铺粉厚度是主要的影响因素。扫描策略的加入,成功控制了选择性激光熔融AlSi10Mg合金制件的孔隙率,提高试件的表面质量和力学性能。

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金微观组织与力学性能研究

在不同激光能量密度下采用选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)制备了AlSi10Mg合金,分析了SLM成形合金的微观组织、成形缺陷和力学性能。结果显示:SLM成形AlSi10Mg合金时,沿激光扫描方向熔池呈不规则椭圆形,沿成形方向组织呈不规则鱼鳞状分布,相互堆叠。随激光能量密度增大,成形合金的孔隙率减小,致密度增大,拉伸性能更好。当激光能量密度为54 J/mm^(3)时,SLM成形合金的抗拉强度为418.9 MPa,伸长率为20.5%。不同激光能量密度下,拉伸断口形貌均呈现脆性和韧性的混合断裂特征。

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金力学性能稳定性研究

采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术在X、Y、Z 3个成形方向上批量生产了AlSi10Mg合金棒状试样,热处理后对所有试样进行室温拉伸性能测试,并对屈服强度和伸长率等主要拉伸性能指标进行统计分析,研究采用SLM技术在X、Y、Z 3个方向成形的AlSi10Mg合金力学性能稳定性。研究结果表明:不同方向成形的试样经热处理后力学性能差异较小,伸长率和屈服强度均表现出较小的离散;各个方向成形试样的屈服强度和伸长率满足正态分布,并且在正态分布概率密度函数曲线中均表现出以均值为中心的较高程度的集中;采用SLM技术制备的AlSi10Mg合金,成形参数和热处理工艺控制得当时,可以有效地缓解力学性能的各向异性,使X、Y、Z 3个方向成形试样的力学性能具有较高的稳定性。

AlSi10Mg合金电子束选区熔化成形工艺及组织成分研究

采用电子束选区熔化(electron beam selective melting,EBSM)成形技术制备AlSi10Mg试样,主要研究了工艺参数对AlSi10Mg合金成形形貌的影响及成形过程中合金成分的变化。结果表明,当电子束束流为4 mA,扫描速度为1000 mm/s时,可获得缺陷较少、组织均匀的AlSi10Mg合金件。在EBSM成形AlSi10Mg过程中,会出现Mg元素烧损现象,最终导致EBSM成形件Mg元素含量降低。

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

采用选区激光熔化成形法制备Al Si10Mg合金,然后分别进行退火、固溶以及T6处理,研究热处理工艺对合金显微组织与力学性能的影响,优化其热处理工艺。结果表明:选区激光熔化成形Al Si10Mg合金的物相主要为α-Al基体和共晶Si。共晶体组织[α-Al+单质Si]在α-Al基体上呈连续网络状分布。XOY和XOZ截面的组织均有粗晶区、细晶区和热影响区。经退火处理后,连续网络状分布的共晶Si发生部分溶解和断裂,合金的强度降低,但硬度略微升高。经T6处理后,共晶体呈规则几何形状零散地镶嵌在α-Al基体上,合金的抗拉强度下降,但屈服强度略有提升,塑性明显增强。综合比较,T6处理更适合作为选区激光熔化成形Al Si10Mg合金的后续热处理。

AlSi10Mg合金选区激光熔化成形参数的选择

选区激光熔化成形技术常用于复杂构件的制造,其成形件的力学性能甚至优于热处理后传统铸造件的。在选区激光熔化成形过程中,易出现球化等缺陷,会降低零件的致密度和力学性能,进而影响产品的使用。以AlSi10Mg合金为例,从材料、设备及工艺等参数选择的角度对如何减少合金选区激光熔化成形件球化现象、提高致密度进行了分析。结果表明,氧含量低和粒度小的粉末颗粒可减少球化现象,选择合适的工艺参数,可提高零件的致密度。

热处理对激光选区熔化成形AlSi10Mg合金中共晶硅形貌与分布的影响

通过激光选区熔化(SLM)技术制备AlSi10Mg合金,分析了沉积态合金的显微组织,研究了3种热处理工艺(T6、T2、T6+T2)对共晶硅形貌和分布的影响。结果表明:沉积态合金表面熔池由中心向边界依次为细晶区、粗晶区和重熔区,合金中共晶硅呈短纤维状,尺寸为纳米级;热处理前后,AlSi10Mg合金均由铝、硅以及Mg2Si相组成;热处理后共晶硅分布更加均匀,组织均匀性提高;沉积态合金依次经T6,T2工艺处理后,其共晶硅的硅元素含量增加,共晶硅纯度提高。

粉体性能及选区激光熔化打印工艺对AlSi10Mg合金致密化行为的影响

本研究重点探索了AlSi10Mg合金的粉体性能以及选区激光熔化(SLM)打印工艺对AlSi10Mg合金粉体致密化行为的影响。通过对两种粒度组成不同的球形AlSi10Mg合金粉体在选区激光熔化(SLM)工艺过程中致密化行为的研究,发现AlSi10Mg粉体粒度组成对SLM打印过程中的致密化程度有关键性影响:粗粉含量较高,更有利于较高致密度的SLM打印件的制备。通过选取上述两种粉体中SLM打印性能较高的AlSi10Mg粉体,采用Box-Behnken响应曲面实验设计系统探索了SLM工艺参数对打印件致密度的影响规律,获得了SLM打印工艺参数与打印件相对密度的定量关系模型。研究发现,SLM打印参数中对AlSi10Mg合金相对密度的影响程度从大到小依次为:激光功率、扫描速度、扫描间距;当激光功率为375 W、扫描速度为2 000 mm/s、扫描间距为50μm时,AlSi10Mg打印件的相对密度值可达到98.26%,抗拉强度可达487 MPa。

搅拌摩擦加工对选区激光熔化AlSi10Mg合金纳米力学行为的影响

使用搅拌摩擦加工(FSP)技术对选区激光熔化制备的AlSi10Mg合金进行表面改性,采用循环纳米压痕技术研究了循环载荷下FSP对材料的纳米力学行为的影响。结果表明,FSP可以显著改善SLM-AlSi10Mg合金的组织均匀性,使得晶粒转变为更为细小的等轴晶晶粒,降低其弹性模量和接触硬度。随着循环次数的增加,材料的接触硬度不断降低,但弹性模量基本不变,主要是由于尺度效应引起的。与BM试样相比,FSP试样的塑性抗力H_(T)显著降低,在循环过程中塑性应变能普遍偏高。FSP试样的滞后回线面积和塑性变形区远大于BM试样,进一步表明FSP可以改善材料的塑性。

SLM成形AlSi10Mg合金的组织与力学性能

在激光功率450 W、扫描速度3800 mm/s、扫描间距60 μm、层厚30 μm条件下,SLM成形了AlSi10Mg试样,用XRD、OM和SEM分析了其相组成与微观组织,并测试了室温硬度和拉伸力学性能。结果表明,试样组织主要由Al基体、Si相和少量的Mg2Si相组成。横截面主要由大小均匀“带状”条纹构成,条纹中可分为三个区域:内部细晶区、热影响区、边界粗晶区;纵截面由大小不均的“U形”条纹构成,条纹间界限明显,条纹中分为两个区域:内部等轴晶区、边界柱状晶区。该参数下得到的试样综合力学性能优异,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到470 MPa、327 MPa和8.0%。

热处理工艺对增材制造AlSi10Mg合金组织与力学性能的影响

对比研究了增材制造Al Si10Mg合金与传统铸造ZL104合金的化学成分、组织与力学性能,研究了退火温度、退火时间对增材制造Al Si10Mg合金组织与力学性能的影响。结果表明,当对增材制造Al Si10Mg合金进行T1(180℃×12 h,空冷)和T2(230~250℃×2 h,空冷)处理时,力学性能满足Rm≥380 MPa,A≥8%的要求。

激光选区熔化3D打印AlSi10Mg合金的铺粉厚度

基于铺粉厚度优选出的3个工艺参数组合,分析了工艺参数组合对激光选区熔化技术成形AlSi10Mg合金试样基本性能的影响。3个工艺参数组合成形的试样硬度均高于63HRB,上表面单位面积磨损量均低于1.5×10^(-5) g/(s·mm^(2)),孔隙率在0.05%以下,抗拉强度高于440 MPa,成形的测试试样尺寸误差均在±0.1 mm以内。试样上表面的表面粗糙度Ra在4μm以下,侧表面的表面粗糙度Ra在5μm以下。铺粉厚度30μm的试样表面质量最优。

退火态激光选区熔化成形AlSi10Mg合金组织与力学性能

AlSi10Mg合金具有高比强度、高耐磨性等优良特点。由于其成分接近共晶点,成形性能良好,被广泛应用于激光选区熔化技术。然而其热处理制度仍然沿用传统铸态合金的热处理规范,影响了其性能的充分发挥。本工作采用激光选区熔化技术制备了AlSi10Mg合金,并研究了沉积态和后续热处理过程中组织演化规律及其对室温力学性能的影响机制。研究发现:沉积态组织由沿沉积方向生长的α-Al柱状枝晶及枝晶间网状Al-Si共晶组成,具有强烈的〈100〉方向织构,沉积层由三部分组成,分别是细晶区、粗晶区及热影响区,抗拉强度389.5 MPa,伸长率4%。退火过程中,共晶Si破碎、球化,基体中过饱和Si不断析出长大。当退火温度从200℃提高到500℃时,Si颗粒发生Ostwald熟化,平均尺寸增长了23倍。经过300℃和500℃退火处理后,试样抗拉强度分别为287.0 MPa和268.0 MPa,但伸长率分别提高到10.3%和17.2%。

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金组织研究

采用选区激光熔化成形方法制备了AlSi10Mg合金,并对其内部组织进行了分析.结果表明:AlSi10Mg合金横截面激光熔道呈长条状,熔池区内为细小弥散分布的胞状晶,熔池区边缘主要为尺寸较大的胞状晶.AlSi10Mg合金纵截面呈鱼鳞状,熔池区内主要为柱状晶,熔池区边界主要为胞状枝晶.熔道搭接区主要为取向不一致的粗大胞状枝晶.产生上述现象主要是由于熔池区内温度梯度小,溶质分布均匀,且过冷度较大,利于形成取向相同且细小的晶粒.在熔池区边界,后续熔化的熔池对已凝固的合金进行重熔,使已凝固区合金再结晶并长大,形成尺寸较大的晶粒.熔道搭接区不同熔池内热传递方向不同,且晶粒具有外延生长的特性,在搭接区形成取向各异的胞状枝晶.

工艺参数对SLM成形AlSi10Mg合金组织与硬度的影响

利用选区激光熔化技术(SLM)成形AlSi10Mg合金,研究工艺参数对合金组织与性能的影响。发现随着激光功率的增大,Al(111)峰向右发生了偏移,这是因为SLM成形过程中,Si原子固溶进了Al基体中,发生了晶格畸变。而较大或较小的激光功率和扫描速度对SLM成形的AlSi10Mg合金组织和性能有显著的影响。激光功率较大或扫描速度较小使网络状Si相发生溶解、断裂和聚集,破坏细晶强化的作用,影响合金的性能;激光功率较小或扫描速度较大使得输入的激光能量不足,粉末不能充分熔化以形成未熔缺陷。较优工艺参数:激光功率为300W,扫描速度为1000mm/s,显微硬度最高可达2.21GPa。