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激光粉床增材制造al-fe-sc-zr耐热铝合金组织与性能研究

激光粉床增材制造Al-Fe-Sc-Zr耐热铝合金组织与性能研究

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作者：王悦婷中南大学

学位级别：硕士

激光增材制造耐热铝合金在航空、航天和轨道交通等领域具有重要需求和应用前景。但增材制造过程中的极端非平衡凝固以及反复热循环极易导致成形样品开裂,因此急需开发针对增材制造专用的耐热铝合金。其既要满足“可打印性”,即不开裂;... 详细信息

激光增材制造耐热铝合金在航空、航天和轨道交通等领域具有重要需求和应用前景。但增材制造过程中的极端非平衡凝固以及反复热循环极易导致成形样品开裂,因此急需开发针对增材制造专用的耐热铝合金。其既要满足“可打印性”,即不开裂;又要满足“高耐热性”,即优异的高温性能(200-400℃)。基于此,本研究使用激光粉末床熔化(LPBF)技术成形al-5fe-1Mg-0.8sc-0.7zr耐热铝合金。这种非平衡合金成分选择基于:(1)激光快速凝固过程中,fe元素在铝合金中的固溶度会显著增大,形成过饱和固溶体;(2)使用sc和zr元素细化组织,可以抑制微裂纹产生,提高合金强度。本文主要结论如下。(1)优化了打印参数,发现激光能量密度在83.3 J/mm时,可获得较佳致密度99.2%。显微组织为典型熔池堆积特征(熔池宽约150μm、深约200μm);熔池边界区呈现细等轴晶(直径0.2-1μm),内部为粗柱状晶(宽1-2μm、长10-20μm)。在熔池边界,α-al晶粒周围存在大量alfe、alfe及初生al(sc,zr)析出相;熔池内部为α-al和alfe的共晶组织。fe在铝基体中最大固溶度可达5.58%。(2)揭示了LPBF非平衡凝固过程中及高温热暴露下合金组织的演化过程。非平衡凝固过程中固液界面处先形成alfe相和初生al(sc,zr)相,而剩余液相逐渐在熔池中心形成α-al和alfe的共晶组织。但在高温热暴露下,alfe颗粒逐渐粗化,在300℃、100小时后逐渐溶解于基体中;350℃以上稳态alfe相在过饱和基体中析出长大。400℃、200小时后,试样组织热稳定化,熔池内部与边界均为alfe针状组织。(3)分析了室温及高温下不同强化机制,并计算了其贡献值。试样室温下屈服强度396 MPa,抗拉强度489 MPa,延伸率3.7%。200℃屈服强度300 MPa,抗拉强度376 MPa,延伸率为5.8%;300℃屈服强度237 MPa,抗拉强度260 MPa,延伸率为7.6%。室温及高温强度均较目前已被研究的LPBF al-2.5fe及al-15fe合金强度高20-50 MPa。室温下强化机制为固溶强化、细晶强化及沉淀强化,计算总贡献强度为450 MPa,略高于实际屈服强度396 MPa。由于高温下细晶强化几乎失效,固溶强化部分失效,沉淀粒子的粗化与生长能弥补大部分高温带来的基体软化。计算300℃时总贡献强度为230 MPa,较实际强度237 MPa稍低。本研究共有图43幅,表7个,参考文献99篇

关键词：激光粉末床熔化 al-fe-sc-zr al-fe金属间化合物高温拉伸热稳定性

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