热挤压变形对SLM成形Al-Mg系合金及其复合材料微观组织和力学性能的影响

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选区激光熔化成形(Selective laser melting,SLM)铝合金被广泛研究,但是SLM成形铝合金的体系、组织和强韧性都尚需进一步深入研究。5XXX系铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特点,被广泛用于航空工业和国防领域。近期,研究人员发现SLM成形含微量Sc和Zr元素的Al-Mg系合金具有较优的综合力学性能,但在成形过程中产生的冶金缺陷会降低合金的力学性能。本论文研究了SLM成形AlMgMnScZr合金的微观组织和力学性能;研究了塑性变形对消除其打印缺陷、微观组织和力学性能的影响;同时基于SLM成形AlMgMnScZr合金的点阵结构,制备出了一种AlMgMnScZr点阵结构增韧纳米铝合金的复合材料。主要内容和结论如下所示:(1)研究了SLM成形AlMgMnScZr合金打印态和时效态的组织和力学性能的关系。结果表明,打印态合金的微观组织主要由熔池内部的柱状晶区和熔池边缘的细等轴晶区组成,柱状晶区呈<001>择优取向,相组成主要为过饱和铝固溶体以及Mg2Si析出相和Al3(Sc,Zr)析出相,其中Al3(Sc,Zr)析出相主要分布在细等轴晶区。发现时效处理促进弥散Al3(Sc,Zr)相的析出,阻碍位错运动进而提高强度;随着时效温度的升高,析出相尺寸增大,合金的显微硬度和强度逐渐降低,塑性逐渐升高;其中合金经325℃时效处理获得较优的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为483 MPa、525 MPa和19.4%。(2)研究了热挤压变形和时效处理对SLM成形AlMgMnScZr合金组织和力学性能的影响。结果表明,热挤压能够显著减少SLM成形合金内的冶金缺陷;热挤压变形可以调控打印态的熔池形貌,使熔池形貌拉长,产生了纤维状组织,柱状晶区形成了<001>和<111>的择优取向。时效处理能够进一步促进析出相从过饱和铝基体中析出和提升力学性能,合金经325℃时效处理时具有较优的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为550 MPa、630 MPa和21.9%。(3)结合SLM技术和热挤压制备出一种AlMgMnScZr点阵结构增韧纳米铝合金的复合材料。结果表明,复合材料由点阵结构区域和纳米铝合金区域组成,点阵结构中的熔池形貌呈纤维状组织,其中柱状晶区域沿挤压方向形成了<001>和<111>择优取向,纳米铝合金由高体积分数的纳米金属间化合物和纳米Al晶粒组成。经300℃热挤压成形的复合材料压缩屈服强度高达745 MPa,压缩塑性应变约为30%。其强化机制除了混合规则外,还存在背应力强化,而其压缩塑性与点阵结构对纳米铝合金中裂纹扩展产生的限制效应有关。
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