高強鋁合金的選區雷射熔化成形技術基礎研究

《高強鋁合金的選區雷射熔化成形技術基礎研究》是依託華中科技大學，由朱海紅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高強鋁合金的選區雷射熔化成形技術基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱海紅
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

高強Al合金複雜精密構件的需求日益旺盛。選區雷射熔化成形技術（Selective Laser Melting，SLM）有望為其提供一種快速整體高精度製造方法。高強鋁合金對雷射吸收率低、熱導率高、易氧化且含大量易燒損合金元素，成形難度大，性能難以控制。本項目通過研究雷射與高強鋁合金粉末的非定常相互作用過程，揭示高功率密度雷射與高強合金粉末相互作用機理；高強鋁合金SLM成形的熔池流動特性、非平衡凝固組織特點及冶金缺陷形成機理；成形件的尺寸精度、表面粗糙度的影響因素及控制方法；後續熱處理技術及其綜合性能評價等關鍵技術基礎，得到SLM加工成形高強鋁合金機理和質量控制規律。擬採用N2和Cl2混合氣體作為成形氣氛、稀薄電漿的保護作用等方法來消除氧化的危害，利用均勻光束技術控制合金元素的非均勻燒損和濃密電漿產生、尺寸補償實現高精度等技術方案，實現高強鋁合金的SLM良好成形和性能控制。

結題摘要

雷射選區熔化成形技術有望實現複雜結構功能一體化的高強鋁合金構件的整體成形。本項目對雷射選區熔化成形2XXX和7XXX高強鋁合金的技術基礎進行了研究，揭示了雷射與鋁合金粉末相互作用過程，明晰了非平衡凝固組織演變過程、冶金缺陷形成機制及控制方法，得到了無缺陷高性能成形的工藝視窗及其熱處理工藝，實現了顯微組織和性能調控方法。發表論文23篇，專利3項，培養學生8名。研究結果表明：鋁合金粉末對雷射的吸收率隨著成形層數的增加是先增加後趨於穩定；成形氣氛中的氧含量為200ppm時，氧化物顆粒由於碰撞機率增加而聚集長大，引發提前斷裂；7050高強鋁合金的Zn元素的燒損影響強化相MgZn2的形成，ZL205A中的Cd元素存在燒損問題影響其後續時效過程中強化相θ’的粗化速率；傳導熔池中流動穩定形成粗大的柱狀晶，深熔熔池中流動劇烈形成柱狀晶與等軸晶夾雜的非平衡凝固結晶組織；低熔點共晶相在柱狀晶邊界處聚集，SLM成形過程中存在較高的應力，裂紋易在柱狀晶邊界處產生；採用提高熔池存在時間、降低溫度梯度和應力、減少或者增大低熔點共晶相含量的方法可以抑制、甚至消除裂紋。採用足夠的能量輸入，提高液相金屬量和熔池存在時間可以消除未熔合的工藝孔；實現了2XXX系和7XXX系兩種高強鋁合金無裂紋和高緻密成形，其中Al-Cu-Mg和ZL205A鋁合金可以在無添加下實現無缺陷高性能成形，7050則需要添加變質劑Si才能實現無缺陷成形；採用Zr元素對Al-Cu-Mg合金進行微合金化，實現了柱狀晶到等軸晶轉變，降低熱裂敏感性，擴大工藝視窗，Zr含量為2 wt.%時，極限抗拉強度達到500 MPa；Al-Cu-Mg合金經過530℃固溶1h的熱處理之後，得到了優良的綜合靜態拉伸性能，極限抗拉強度532±8.5 MPa，屈服強度338±10 MPa，斷後伸長率13.6±1.5%；ZL205A合金，固溶處理溫度530℃，保溫時間6 h後，採用153℃時效48h，可得到優良的綜合靜態拉伸性能：極限抗拉強度476.2 MPa，屈服強度383 MPa，斷後伸長率7.85%；對於7050合金，其最佳化的熱處理制度為：160℃單級時效12h，維氏硬度從115HV升至139HV。