激光选区熔化制备高强度Al-3.4Mg-1.08Sc-0.23Zr合金的组织与性能研究

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基于目前激光选区熔化技术(SLM)制备的铝合金材料种类有限且强度普遍较低。通过Sc、Zr合金化制备的Al-Mg-Sc-Zr合金能够显著提升合金的强度与硬度,并展现稳定的打印性能,成为了当前3D打印高强度铝合金研究的重点材料。但目前对Sc、Zr合金化的高强度铝合金研究主要集中在Sc?0.66%的范围,对高钪(>0.66%)合金化下Al-Mg-Sc-Zr合金的组织与性能报道甚少。本项目基于激光选区熔化技术,制备出一种高钪(1.08%)合金化的新型轻质Al-3.40Mg-1.08Sc-0.23Zr合金。通过对其密度、硬度、拉伸等宏观性能进行测试,利用扫描电子显微镜观察(SEM)、电子背散射衍射分析(EBSD)、能谱分析(EDS)等进行微观组织分析,探究了合金微区组织与成分随扫描速度与基板温度的演变规律,揭示了SLM动力学与热力学参数对合金过饱和固溶度、第二相析出行为、力学行为的影响机制。并采用晶间腐蚀、剥落腐蚀、电化学腐蚀等测试手段,研究了不同工艺参数下合金的抗腐蚀性能变化规律,揭示了合金的抗腐蚀机制及其主要的腐蚀影响因素。主要结论如下所示:Al-3.40Mg-1.08Sc-0.23Zr合金的微观组织由超细等轴晶及其周围相对较粗的柱状晶组成,在金相显微镜下可观察到熔池堆叠的形貌特征。合金内的第二相主要为分布在熔池底部细等轴晶区的Al2Cu相及方块状的初生Al3(Sc,Zr)相。提高扫描速度,熔池冷却速度增大,Al基体过饱和固溶程度高,合金内部柱状晶粒越狭长,等轴晶粒越细小,受热输入影响较少,合金内第二相粒子的数目少、尺寸小;降低扫描速度,合金受更多的热输入影响,等轴晶粒长大,柱状晶粒的长径比相对减小。合金受激光热循环的影响,合金内第二相粒子的数量更多,尺寸更大。提升基板温度,温度梯度变小,合金内部等轴晶粒尺寸变大,柱状晶变粗变短,两者差异越来越小。在200℃基板温度,800 mm/s扫描速度下制备的实验合金的微观组织呈现几乎均匀的等轴晶组织。200℃基板温度产生了更多的热输入,合金内初生Al3(Sc,Zr)粒子有所长大,在打印过程中因受到持续热输入影响合金内部产生时效效应,合金的过饱和固溶度下降,第二相的数目增多,尺寸增大。综合考虑实验合金的致密度、硬度值与拉伸性能结果,在基板温度35℃下制备的Al-3.4Mg-1.08Sc-0.23Zr合金的最佳扫描速度为1600 mm/s。在此工艺参数下制备的合金的致密度高达99.77%,硬度值可达117.8 HV,屈服强度289.3±9.3 MPa,抗拉强度可达321.6±7.9 MPa。在1600 mm/s的扫描速度下,200℃基板温度打印的合金试样由于受到持续热输入的影响发生时效,1600mm/s下,200℃基板温度合金试样的硬度比35℃基板温度合金试样高18.36%,屈服强度提升37.03%,抗拉强度提升24.38%。Al-3.4Mg-1.08Sc-0.23Zr合金的抗腐蚀性能受细等轴晶区区域大小,Al2Cu相及粗大的初生Al3(Sc,Zr)粒子的影响。由于熔池底部等轴细晶区形成的Al2Cu,与Al基体非共格,易于形成Al-Cu/Al2Cu原电池,导致腐蚀优先在等轴细晶区发生。随扫描速度的减慢,合金内的细等轴晶区域变大,熔池底部析出的富Cu相数量增多,初生Al3(Sc,Zr)粒子数目增多,合金的抗腐蚀性能下降。在200℃基板温度下,合金内的等轴晶数目增多,初生Al3(Sc,Zr)粒子粗化,由于产生时效效应,沿晶界析出的Al2Cu相数目增多,导致合金的耐蚀性能下降。35℃基板温度下制备的合金展现更佳的抗晶间、剥落与电化学腐蚀性能。
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