激光选区熔化成形含锆Al-Zn-Mg-Cu合金的显微组织与力学性能

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热裂问题仍是激光选区熔化成形(SLM)制备Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金面临的主要障碍之一,成分优化及组织调控是解决热裂问题的主要途径。本文采用低能球磨法在Al-Zn-Mg-Cu合金粉末中添加亚微米ZrH2颗粒,通过SLM技术制备了无裂纹含锆Al-Zn-Mg-Cu合金,并在添加ZrH2的基础上再添加少量纳米Si以降低材料孔隙率,制备了无裂纹含锆和硅Al-Zn-Mg-Cu合金。在此基础上,优化了SLM工艺参数,并通过T6热处理和热等静压处理提升合金材料的力学性能。旨在为SLM工艺制备综合力学性能良好的Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金提供技术参考。研究了ZrH2添加量对SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金热裂纹、显微组织及力学性能的影响。结果表明:添加的ZrH2可以在SLM成形过程中与铝熔体原位反应形成L12型Al3Zr相,L12型Al3Zr相的异质形核作用促进了柱状晶到等轴晶的转变,抑制了热裂纹的产生。随着ZrH2含量的提高,柱状晶组织逐渐消失,热裂纹逐渐减少,材料硬度、抗拉强度和断后伸长率逐渐提高。当ZrH2含量为1.5 wt%时,晶粒组织完全转变为等轴晶,平均晶粒尺寸为1.6μm,热裂纹完全消失。探究了ZrH2/Si双相添加对SLM成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金热裂纹、孔隙率、显微组织及力学性能的影响。结果表明:在添加1 wt%ZrH2的基础上,再添加1 wt%Si,可以消除SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金中的热裂纹。随着Si的加入,试样热裂纹得到消除,致密度、硬度、抗拉强度和断后伸长率均得到提高。ZrH2和Si的共同添加更有利于消除热裂纹。ZrH2的添加能够细化晶粒组织,对热裂纹的产生起到抑制作用。Si的添加能够通过形成低熔点共晶组织,提高金属液的流动性,在凝固后期提供大量液相进入晶间区域,起到弥合热裂纹的作用。同时,金属液的流动性提高,能够及时填充孔洞,提升材料的致密度(>98%)。探索了含锆、含锆和硅Al-Zn-Mg-Cu合金的热处理工艺,并进行热等静压处理。结果显示:含锆、含锆和硅Al-Zn-Mg-Cu合金合适的T6热处理工艺分别为:(490℃/1 h+120℃/24 h)和(480℃/1 h+120℃/22 h)。热处理可以大幅提高材料的力学性能,热处理后含锆Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉强度和屈服强度分别为556 MPa和495 MPa,断后伸长率为12.3%,含锆和硅Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉强度和屈服强度分别为520 MPa和460MPa,断后伸长率为9%。添加Zr元素后,沉积态试样中反应生成的Al3Zr相,在时效过程中保持稳定,同时有纳米Al3Zr相析出,这些Al3Zr粒子的存在有助于材料力学性能的提升。热等静压处理能够较好地消除试样中的孔隙,并提升合金的力学性能。在热等静压后,含锆Al-Zn-Mg-Cu合金抗拉强度和屈服强度分别为545 MPa和442 MPa,断后伸长率为14.5%,含锆和硅Al-Zn-Mg-Cu合金抗拉强度和屈服强度分别为500 MPa和390 MPa,断后伸长率为12.2%。
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