鋁鈧合金具有高比強、焊接性能好、塑性成型性能優(yōu)良等特點，是新一代航天航空用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。激光選區(qū)熔化（SLM）是增材制造的主要成形方式之一, 具有高效率、低損耗、復(fù)雜快速成型等優(yōu)點，尤其適用于制造復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)件。選擇激光熔化過程中的工藝參數(shù)，對合金成形質(zhì)量和使用性能影響顯著。

     中南大學(xué)徐國富教授團隊研究了含鈧鋁合金粉末在不同激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)下組織和性能演變，為拓寬鋁鈧合金應(yīng)用范圍具有重要意義。本期將分享該論文的亮點與主要研究結(jié)果。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1003632622661120

 文章亮點

研究團隊選用新型的Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr (wt.%) 合金粉末作為研究對象，研究其在不同能量密度下SLM成型后合金的缺陷、表面粗糙、顯微組織和力學(xué)性能變化規(guī)律，闡明激光選區(qū)熔化的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金主要強化機制。

 圖文解析

圖1為Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr (wt.%) 合金粉末的SEM二次電子像和粒徑分布。由圖可知，合金粉末大多呈球形，少量呈長橢球形，在大粒子表面吸附著小顆粒，粉末粒徑為4- 40 μm,其中50%粒子直徑為27.5 μm,粒子尺寸分布均勻。

圖1 Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr (wt.%) 合金粉末形貌及粒徑(a) SEM 二次電子像, (b) 粉末粒徑分布

不同SLM工藝參數(shù)下的屈服強度、抗拉強度和延伸率見表1。從表可知，樣品13 (171 J/mm3)的屈服強度、抗拉強度和延伸率最低。其余6個樣品的屈服強度和抗拉強度值比較接近，屈服強度在331~339 MPa之間，抗拉強度在390~400 MPa之間。這一結(jié)果表明SLM鋁合金在能量密度為104~143 J/mm3時性能穩(wěn)定，波動很小。但高掃描速度(1100 mm/s)下的屈服強度值略高于低掃描速度下（800、900 mm/s）的強度值。高能量密度試樣的延伸率低于低能量密度試樣的延伸率。當(dāng)能量密度大于152 J/mm3時，延伸率隨能量密度的增加而急劇下降。

表1 能量密度對SLM合金力學(xué)性能影響

圖2為典型能量密度下SLM鋁合金的EBSD顯微組織和微觀織構(gòu)。三個樣品均有明顯的熔池結(jié)構(gòu)，由等軸晶和柱狀晶組成。等軸晶位于熔池底部，為細晶區(qū)，柱狀晶位于熔池中心區(qū)域 (圖2(e))，沿沉積方向生長。隨著能量密度的增大，柱狀晶數(shù)量明顯減少。且等軸晶區(qū)的晶粒取向隨機，而柱狀晶區(qū)具有明顯的擇優(yōu)取向。這是因為在SLM的制造過程中，整個熔池存在較大的熱梯度。當(dāng)激光熔化金屬粉末時，大量小晶粒在熔池邊緣成核，(100)方向的晶粒優(yōu)先向熔池中心生長，形成柱狀晶粒，熔池邊緣的其他晶粒仍以等軸晶粒形式存在。

圖2 不同能量密度下SLM合金EBSD顯微組織和極圖 (a)104 J.mm−3，(b)135 J.mm−3，(c)171J.mm−3，(d)樣品(a)熔池底部，(e)樣品(b)熔池底部。

結(jié)合顯微組織表征結(jié)果結(jié)合計算，各強化機制的貢獻見表2所示。固溶強化和晶界強化對屈服強度的貢獻約為275 MPa (約占85%)。因此，SLM鋁合金的強化機制主要是固溶強化和晶界強化。

表2各強化機制的貢獻值

 研究結(jié)論

     在104~143 J/mm3的能量密度下，選擇激光熔化Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr (wt.%)合金性能穩(wěn)定，屈服強度為335~338 MPa，抗拉強度為397~400 MPa，延伸率均在11%以上。定量計算結(jié)果表明，SLM鋁合金的主要強化機制為固溶強化和晶界強化，分別占總屈服強度的44%和41%。

LAI Yi, DENG Ying, ZHU Xin-wen, GUO Yi-fan, XU Guo-fu, HUANG Ji-wu, YIN Zhi-min. Tensile property and microstructure of Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr alloy under different selective laser melting processing parameters [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2023,33(02):357-370.

(責(zé)任編輯：admin)

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