激光选区熔化AlSi10Mg组织性能调控及AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料成形研究

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AlSi10Mg和Ti6Al4V合金由于其比强度相比其他金属材料较高,被广泛应用于航空航天零件的制造。激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)由于可一体化成形复杂精密结构零件,被应用于成形AlSi10Mg和Ti6Al4V合金。文献报道相关研究主要集中于SLM工艺参数及后处理对AlSi10Mg合金性能影响,粉末特性对AlSi10Mg合金的影响较少涉及。粉末材料属性,包括粒度、粉末形貌、流动性以及化学元素含量等对成形件的质量影响较大。因此,开展AlSi10Mg粉末特性对SLM成形件微观组织及力学性能的影响变尤为重要与迫切。此外,处理铝合金之外,钛合金在航空航天应用也颇为广泛,但是随着航空航天对轻量化零件的需求,在不同受力区域选用不同材料,实现减重是未来的趋势之一,研究SLM成形AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料结构具有很重要的意义。本文从SLM制备与成形AlSi10Mg合金与AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料控形控性入手,主要开展了AlSi10Mg粉末属性对SLM成形合金零件组织与性能的影响规律、界面结构设计对AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料相结构、微观组织和力学性能两大方面的研究。针对SLM的工艺特点进行AlSi10Mg合金粉末参数优化,并建立粉末参数与AlSi10Mg合金微观组织、相转变行为与力学性能三者之间的关系。研究了SLM成形AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料的界面影响规律,提出了梯度界面结构改善多材料界面结合强度的方法,为SLM成形多材料零件的应用提供了理论指导。研究结果发现金属粉末的特性对最终成形件的质量和力学性能有重要的影响。粉末的平均粒径约30μm左右,大小粒径适配,球形度越高,表面行星越少,SLM成形件的质量较高,孔隙缺陷就减少。粉末的松装密度越大,流动性越好,在标准粉末元素含量范围内,Fe元素和Si元素含量越少,SLM成形件的拉伸性能越好。此外,SLM成形的梯形界面结构提升了AlSi10Mg/Ti6Al4V多材料界面结合质量。这种梯形界面结构扩大了界面处不同合金材料的接触面积,降低了钛合金和铝合金由于热物理性能和冶金性能不匹配带来的不利影响,减少了翘曲、裂纹等缺陷。多材料拉伸性能(468 MPa)相比铝合金材料(416.2 MPa)更高。
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