选区激光熔化成形多孔铝合金的工艺及组织性能研究

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选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种典型的快速成形技术,利用高能激光束熔化金属粉末,逐层堆积,直接成形高性能复杂金属零部件。铝合金作为轻金属材料有优良的物理、化学和机械性能,在很多领域获得了广泛应用,但是铝合金自身的特性(如易氧化,高反射性和导热性等)增加了选择性激光熔化制造的难度。本文将选区激光熔化技术引入多孔金属制备领域,成功制备出了多孔铝合金。利用XRD、SEM、EDX等分析了获得的多孔铝合金结构的物相、显微组织和成分,讨论了工艺参数对成形的多孔铝合金显微组织特征和性能的影响规律;并分析了添加造孔剂和不同激光工艺参数时多孔结构的形成机制。利用纳米压痕仪、硬度计、电子万能实验机等对多孔铝合金的微观力学性能和宏观力学性能进行了分析。研究结果表明:选区激光熔化技术制备的多孔铝合金,孔隙率可通过工艺参数调节。多孔铝合金晶粒组织细化,层间组织晶粒尺寸约700nm,层层分界面区域晶粒尺寸约为13um,基体组织由α-Al相和α-Al+Si共晶组织相构成,且Al元素主要填补于胞状结构内部,Si元素主要存在于胞状边界处。由于细晶强化及固溶强化,多孔铝合金显微硬度约130 HV,相比于传统铸造铝合金的硬度70 HV提高了约90%。铸造法制造的泡沫AlSi12合金的抗压强度约为17MPa,弹性模量约为1.1GPa,SLM技术制备的多孔铝合金的抗压强度约为150MPa,弹性模量约为3.2GPa,抗压强度和弹性模量相对于铸造法制备的泡沫铝分别提升了约800%和150%。选区激光熔化技术过程中也存在缺陷,本文分析了气孔和球化现象的形成机理及避免缺陷的措施。采用选区激光熔化技术对AlSi12/TiH2混合粉末体系进行实验,成功制备出了孔径分布在微米级别的开孔多孔铝合金,激光参数固定时随着TiH2含量的增加,多孔铝合金的孔隙率逐渐升高;SLM工艺成形过程中TiH2除了作为造孔剂外,在高能激光束作用下TiH2分解产生的H2还能提供保护气氛,防止加工过程中金属粉末的氧化,保证获得的多孔金属具有较高的化学纯度。
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