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3D打印百科
选择性激光熔融高强度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金:抑制裂纹
发表日期:2020-12-10 15:22 浏览次数:143
      铝及其合金是仅次于钢的应用最广泛的结构材料之一,选择性激光熔化(SLM)是发展最广泛的增材制造方法之一。然而,SLM部件常存在开裂、球化和气孔等冶金缺陷,只有有限数量的金属适合打印具有令人满意密度、所需微观结构和强度的部件。为了开发用于选择性激光熔化(SLM)添加剂制造的高强度铝合金,中南大学李瑞迪等人设计制造了一系列Al-Mg(-Si)-Sc-Zr合金。在无硅条件下,所研制的Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr(x=1.5,3.0和6.0wt%)合金均易发生热裂纹。在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%Si,有效地抑制了SLM过程中的热裂纹,且极大的细化了晶粒。
 

图1 Mg和Si元素对SLM印刷样品凝固裂纹和相的影响。数字(a~d) 显示75 J/mm3 VED下SLM打印样品的光学显微照片。(a1)和(a2):含1.5 wt% Mg的#1合金;(b1)和(b2):含3.0 wt% Mg的#2合金;(c1)和(c2):含6.0 wt% Mg的#3合金;(d1)和(d2):含6.0 wt%Mg+1.3 wt% Si的#4合金。构建方向是从下到上。
图2 EBSD图显示了不同成分下印刷样品的晶粒尺寸和形貌。(a) 1号合金1.5 wt% Mg;(b) 2号合金3.0 wt% Mg;(c) 3号合金6.0 wt% Mg;(d) 4号合金,6.0 wt% Mg+1.3 wt% Si。用反极图(IPF)表示铝的结晶取向。构建方向是从下到上。

通过进一步细化合金成分,设计了一种新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。这种新合金显示出明显细化的微观结构,包括亚微米胞体和相干的Al3(Sc,Zr)纳米粒子(2~15nm)存在于晶胞和晶间Al-Mg2Si共晶(Mg2Si直径为10~100nm)。

图3 铸造合金#5在360°C时效8h后的显微组织。(a)胞体的明亮场TEM图像;(b)取自(a)显示Al3(Sc,Zr)纳米沉淀的明亮场TEM图像;(C)HRTEM图像(a)显示9R相和FCC α-Al基体,嵌入SAD图案确认9R相。带有CTB或ITB的9R相界用红点线标记;(d、e、f)图(c)中三个方框的HRTEM图像显示了9R和包含畸变9R结构的FCC α-Al基体之间的扩散区。

在铝合金类中,固溶强化、晶界强化、加工硬化和沉淀/弥散硬化是得到充分证明的强化机制。#5合金样品中形成了高密度的层错和独特的9R相,其拉伸强度和伸长率分别达到497mpa和11%。经过对各强化机制强化效果进行计算,作者认为高密度叠加缺陷(SFs)和9R长周期有序叠加(LPSO)相强化机制提供了额外强化。时效处理后,抗拉强度达到550mpa,塑性在8%~17%之间。