2195铝锂合金激光选区熔化成形及裂纹缺陷调控

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相对传统铝合金,铝锂合金具有更高的比强度和比刚度,此外,铝锂合金还具有低温性能、耐腐蚀性等一系列优势,在航天航空领域逐渐替代传统铝合金的使用,考虑到传统的加工方式越来越难以适应复杂的结构设计,通过激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术进行结构件的制备不仅可以缩短结构设计制造周期,也可以有效降低成本。然而,目前进行SLM制备铝锂合金的研究非常缺乏,因此本文以2195铝锂合金粉末为对象,研究了2195铝锂合金的成形质量、缺陷形成机制以及组织性能,针对缺陷形成机理,采用了Zr合金化以及(Er-Zr)复合合金化的方式SLM成形Al-Li合金,以达到裂纹缺陷消除的目的。为探索有效的SLM成形Al-Li合金工艺,在较大的工艺参数范围内进行了SLM成形Al-Li合金过程,研究了不同工艺参数对致密度的影响规律,并综合分析得到了高致密度试样的成形工艺区间,即扫描间距为90μm,低功率(80-160W)以及低扫描速度(60-100mm/s),最优致密度达到99.97%。对SLM成形Al-Li合金块体试样表面成形质量研究发现,表面普遍存在飞溅、表面浮渣以及在表面呈纵横交错的网状分布的裂纹缺陷。对块体试样侧面形貌分析发现,不同工艺参数下均存在裂纹缺陷,其中功率较低(P=80W)时,裂纹为与打印方向垂直的缩孔聚集性裂纹,而功率较大时(P≥120W),主要为热裂纹中的凝固裂纹。结合模拟结果,本文总结了SLM成形时凝固裂纹成形的三个因素:(1)2195Al-Li合金较大的凝固温度区间以及由此导致的热裂纹敏感区间较大(640℃-480℃),容易产生晶界低熔点共晶;(2)SLM成形AL-Li合金产生了沿打印方向产生粗大的柱状晶,长度可达100μm,宽度可达20-30μm,跨越多层生长。(3)通过模拟证明在整个凝固温度区间内,SLM成形Al-Li合金过程具有极大的冷却速度,并且在此过程中受到持续的横向拉应力,在整个SLM过程中,存在残余的横向拉应力。因此,在柱状晶晶界产生的低熔共晶液膜被拉断而得不到补充的情况下,会造成裂纹的萌生,而在之后持续增加的拉应力作用下,裂纹会进一步扩展,贯穿多层多道。本文针对裂纹形成机理中的要素,采用了两种合金化方案以及提高预热温度的方法来控制裂纹缺陷,Zr合金化以及Er-Zr复合合金化均能有效抑制热裂纹缺陷,对比两种合金化方式,发现Er-Zr复合合金化可以在更小的功率(≥120W)下实现裂纹的有效抑制,但是会引入新的孔隙缺陷,整体致密度相较Zr合金化方式下降2%-4%。对Zr合金化后的组织性能进行分析,相比SLM成形Al-Li合金,Zr合金化后的晶粒显著细化,且由于等轴晶随机取向的生长,消除了SLM成形Al-Li过程中出现的<100>取向。
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