熱處理對(duì)激光粉末床熔融AlSi10Mg合金熱物理性能的影響

鋁合金具有相對(duì)低的密度、高導(dǎo)熱和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域常用的輕質(zhì)材料，但對(duì)于LPBF而言，打印過程中激光能量密度高，冷卻速率快，同時(shí)由于鋁合金獨(dú)特的物理性質(zhì)如：低激光吸收率、高導(dǎo)熱且易氧化等，使得打印樣品中容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，增材制造難度非常高。AlSi10Mg合金具有良好的鑄造性能和焊接性能，能夠在LPBF的熔化、凝固冶金過程中展現(xiàn)良好的成形性。然而較高的熱膨脹系數(shù)限制了其在高尺寸穩(wěn)定性要求領(lǐng)域的應(yīng)用。由于LPBF冷卻速率快會(huì)使合金中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，因此需要對(duì)成形樣品進(jìn)行后續(xù)的熱處理進(jìn)行性能優(yōu)化。

本文采用激光粉末床熔融（LPBF）法成功制備AlSi10Mg合金樣品，研究130℃/4h時(shí)效處理、236℃/10h退火處理和540℃/1h固溶處理三種熱處理工藝對(duì)AlSi10Mg合金樣品的微觀組織的影響，以及熱處理后lSi10Mg合金在室溫～400℃的溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率演變規(guī)律。

使用的AlSi10Mg商用合金粉末的微觀形貌和粒徑分布如圖1所示.

由圖1（a）可觀察到，粉末顆粒的形態(tài)近似球形，尺寸相對(duì)均勻，少量小顆粒與大顆粒粘連，呈“衛(wèi)星球”狀。粉末的粒度分布在10～60μm范圍內(nèi)，其平均粒徑約為40.64μm，如圖1（b）所示。

對(duì)LPBF成形AlSi10Mg合金樣品分別取平行于構(gòu)建方向（XOZ面）和垂直于構(gòu)建方向（XOY面）的截面組織進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖2（a）和（b）所示。

LPBF成形AlSi10Mg合金樣品XOZ面的OM圖像顯示出由多個(gè)小尺寸熔池組成的不規(guī)則的“魚鱗”狀形貌。這種特殊的組織形貌主要是由于激光光斑的能量呈高斯分布，激光束中心區(qū)域的能量密度最高，而向兩側(cè)逐漸降低形成扇形熔池，這些微小熔池層層堆疊形成了所觀察到的特殊結(jié)構(gòu)。而退火處理和固溶處理對(duì)樣品的微觀形貌產(chǎn)生顯著影響。

圖3為AlSi10Mg粉末、直接成形以及不同熱處理后的AlSi10Mg合金試樣的XRD衍射圖譜。樣品中均檢測(cè)出α-Al、Si以及Mg2Si相的衍射峰。然而，觀察到不同樣品中的α-Al和Si衍射峰強(qiáng)度存在較大差異?？梢园l(fā)現(xiàn)，與粉末及熱處理后的樣品相比，成形態(tài)樣品中Si相衍射峰較為微弱，這主要是由于LPBF成形過程中極快的冷卻速率導(dǎo)致Si原子來不及析出，固溶于α-Al基體中而形成過飽和固溶體。

圖4為直接成形及不同熱處理工藝后AlSi10Mg合金XOZ面的SEM圖像及其EDS分析。由圖4可以看出，成形樣品顯示出由共晶Si網(wǎng)格包圍的α-Al基體所構(gòu)成的微觀組織。

圖4（b）為時(shí)效處理后成形AlSi10Mg合金的顯微組織?？梢钥闯?，合金中保留了網(wǎng)狀Si結(jié)構(gòu)，其微觀組織與成形樣品相似。

圖5為直接成形與不同熱處理工藝后AlSi10Mg樣品的熱應(yīng)變曲線和平均熱膨脹系數(shù)（CTE）曲線。由圖5（a）可以觀察到，合金樣品的熱應(yīng)變隨著溫度的升高而呈上升趨勢(shì)，在150℃以下，樣品的熱應(yīng)變-溫度曲線基本呈線性關(guān)系。當(dāng)溫度超過150℃時(shí)，成形和時(shí)效樣品的曲線均呈現(xiàn)出較大的線性偏差，表明樣品產(chǎn)生了額外的熱應(yīng)變。

圖6為成形及不同熱處理后AlSi10Mg樣品的熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線。由圖6可以看出，退火處理后樣品具有較高且相對(duì)平穩(wěn)的熱導(dǎo)率。

（1）利用LPBF成形AlSi10Mg合金，通過三種不同的熱處理工藝改變其微觀結(jié)構(gòu)從而改善合金的熱物理性能。經(jīng)時(shí)效處理后，LPBF成AlSi10Mg合金中保留了與成形態(tài)相似的Si網(wǎng)格，但析出了少部分Si顆粒，使得合金CTE略微降低，由于網(wǎng)狀Si仍然存在阻礙電子運(yùn)動(dòng)，熱導(dǎo)率并無較大改善。

（2）經(jīng)過固溶處理后，LPBF成形AlSi10Mg中析出塊狀的Si顆粒，相比之下一定程度抑制了鋁基體膨脹，進(jìn)一步降低了CTE。而固溶后塊狀Si與Al基體之間的孔隙缺陷影響了傳熱效率。

（3）經(jīng)過236℃/10h退火后，Si從基體中析出并聚集成球化的Si顆粒，Si顆粒均勻分布在基體中，有效抑制鋁基體的膨脹，基體中的網(wǎng)狀共晶硅組織消失，增加了自由電子的運(yùn)動(dòng)，有利于傳熱。退火后的合金樣品在室溫～400℃的CTE為1.64×10?5～2.1×10?5℃?1范圍，平均熱導(dǎo)率為179.6W·m?1·K?1，使合金材料性能更加穩(wěn)定。

CHENG FENG

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AlSi10Mg 是一種常見的增材制造鋁合金粉末。其具有良好的工藝性，密度小，抗蝕性良好，從而在航空、儀表及一般機(jī)械中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞、輪轂、轉(zhuǎn)向助力器殼體等。

可用于選區(qū)激光熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）、激光直接沉積（DLD）、粉末冶金（PM）、注射成型（MIM），激光熔覆（Laser Cladding）等工藝。

【熱處理對(duì)激光粉末床熔融AlSi10Mg合金熱物理性能的影響】

文章編號(hào)：1005-5053(2024)02-0184-08