熱處理對(duì)選區(qū)激光熔化AlSi10Mg合金組織與性能的影響

前言

AlSi10Mg鋁合金具有高比強(qiáng)度和高耐磨性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及船舶制造等領(lǐng)域。與鈦合金、高溫合金、不銹鋼等金屬材料相比，鋁合金的增材制造技術(shù)起步相對(duì)較晚，主要原因是鋁合金與激光增材之間相對(duì)較差的工藝匹配性，一方面是鋁合金對(duì)激光的反射率較高。AlSi10Mg鋁合金作為一種亞共晶合金，結(jié)晶區(qū)間相對(duì)較小，合金粉末的流動(dòng)性較好，是選區(qū)激光熔化研究的主要鋁合金之一。

本文利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備AlSi10Mg鋁合金，探究不同熱處理工藝對(duì)AlSi10Mg鋁合金組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的提高，共晶Si組織被破壞并且合金中顆粒狀Si相的尺寸不斷增加，合金的強(qiáng)度和硬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但塑性提升明顯。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為采用氣霧法制備的球形AlSi10Mg鋁合金粉末，粉末粒徑范圍為15～63μm，其化學(xué)成分如表1所示。

對(duì)成形后的AlSi10Mg鋁合金進(jìn)行不同后續(xù)熱處理，保溫溫度分別為500、400和300℃，保溫時(shí)間均為0.5h，并采用水冷的冷卻方式.

試驗(yàn)結(jié)果及討論

顯微組織分析

圖1為不同熱處理狀態(tài)下選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的光學(xué)顯微形貌圖。從圖中可以看出，選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金經(jīng)過不同溫度的熱處理后的宏觀組織出現(xiàn)了明顯變化。熔池邊界由于具有更快的凝固冷卻速率，在該區(qū)域晶粒更加細(xì)小，即在在縱截面形貌圖中呈現(xiàn)亮色的區(qū)域。

圖2為不同熱處理?xiàng)l件下選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的掃描電鏡圖。從圖中可以觀察到，在不同熱處理溫度下試樣的顯微組織形貌存在顯著區(qū)別。

為進(jìn)一步研究不同熱處理溫度對(duì)AlSi10Mg鋁合金中Si顆粒尺寸的影響，使用軟件對(duì)Si顆粒的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。隨著熱處理溫度的升高，AlSi10Mg鋁合金中Si顆粒尺寸呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

力學(xué)性能分析

對(duì)不同熱處理狀態(tài)下選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。隨著熱處理溫度的提高，AlSi10Mg鋁合金試樣的平均顯微硬度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其值從沉積態(tài)的100.0HV降低到71HV。沉積態(tài)下AlSi10Mg鋁合金的平均顯微硬度為100.04HV，試樣的硬度明顯高于傳統(tǒng)鑄造制備的AlSi10Mg鋁合金，且試樣硬度分布均勻，波動(dòng)較小。從AlSi10Mg鋁合金硬度測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著熱處理溫度的增加，試樣的平均硬度不斷下降。

圖5為不同熱處理狀態(tài)下AlSi10Mg鋁合金試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸結(jié)果。沉積態(tài)下試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為353MPa、246MPa；雖然經(jīng)過熱處理后，AlSi10Mg鋁合金的強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降，但是試樣的伸長(zhǎng)率得到了大幅提高。

拉伸斷口分析

材料的拉伸性能與斷口形貌密切相關(guān)，觀察斷口形貌可以推斷出合金的塑形表現(xiàn)和斷裂機(jī)理。利用SEM對(duì)不同熱處理狀態(tài)下AlSi10Mg鋁合金試樣的斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。在圖6（a）中，沉積態(tài)下試樣的斷口出現(xiàn)了一些較小的解理臺(tái)階以及撕裂棱，這種現(xiàn)象表明：沉積態(tài)下AlSi10Mg鋁合金呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂的特征，為脆性斷裂。從圖6（b）～（d）可以看到，經(jīng)過熱處理后試樣的斷口形貌明顯發(fā)生改變，斷口處出現(xiàn)大量密集的韌窩，表明試樣已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。韌窩的形成主要是由于空洞聚集，即細(xì)小空洞生核、長(zhǎng)大、聚集直至斷裂的過程。因此，從不同熱處理溫度下的試樣斷口形貌也間接說明在更高的熱處理溫度下，試樣的伸長(zhǎng)率更高，這與圖5（b）中的拉伸測(cè)試結(jié)果相吻合。