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热处理显著改善粉末床激光增材制造ZL205A铝合金性能

由于激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM )增材制造技术的快速发展和逐渐成熟,铝合金的SLM成形相关研究已成为研究的热点。铝合金因其比强度高、耐腐蚀和导热导电性能良好等特点,在航空航天增材制造领域发展潜力巨大。

SLM成形过程中,由于成形快热快冷的特点,造成试样内部温度梯度大、残余应力集中,进而使试样内部容易产生热裂纹、孔洞等缺陷,最终影响成形试样的显微组织及力学性能。

而热处理是调控SLM成形试样显微组织和力学性能的重要手段之一。热处理工艺可以有效改善SLM成形铝合金组织和力学性能。

《特种铸造及有色合金》中刊登的《热处理对SLM成形 ZL205A铝合金组织及性能的影响》论文,探究了T6状态固溶时间和时效时间对SLM成形 ZL205A铝合金试样显微组织和力学性能的影响。本期3D科学谷将分享这一研究成果。

ZL205A铝合金由于其较好的综合力学性能、抗应力腐蚀性和机加性能,进而被广泛应用于飞机、导弹、船舶等国防军工产品。

但由于Al-Cu合金成分复杂,结晶温度范围宽,在凝固过程中易产生热裂纹、柱状晶缺陷等原因,使得合金的铸造综合性能难以满足服役要求。研究表明,ZL205A铝合金经热处理工艺改性后,ZL205A铝合金的抗拉强度超过450 MPa,伸长率达到13%,是发展高性能ZL205A铝合金的重要工艺之一。

相关课题研究了热处理工艺(固溶/时效)对SLM成形ZL205A铝合金沉积态试样显微组织及物相分布、力学性能和断口形貌的影响,为ZL205A铝合金应用提供参考。

1.试验材料与方法

试验用ZL205A铝合金粉末通过气雾法制备,粉末粒径为15~45 μm,其化学成分见表1。粉末状态见图1。SLM成形采用SLM300设备,采用YLR-500-WC型光纤激光器,最大功率为500 W、波长为1070 nm;双向刮刀铺粉,激光扫描方式为三维动态振镜聚焦,成形缸最大成形尺寸为300 mm(X)×250 mm(Y)×250 mm(Z),SLM成形优化工艺参数见表2。

图1 ZL205A铝合金粉末的SEM形貌和物相分析,(a)SEM形貌(b)物相分析。

采用的热处理工艺为:在538 ℃下固溶10、12、14 h后水冷,然后分别在150℃下时效4、6、8 h后水冷。SLM成形的拉伸试样见图2。采用Instron 5569电子拉伸试验机拉伸,拉伸方向平行于堆积成形方向,拉伸速率为1mm/min。

图2 SLM成形的拉伸试样

2.试验结果与分析

2.1 热处理对SLM成形 ZL205A铝合金组织及物相分布的影响

随着固溶时间的增加,SLM成形ZL205A铝合金试样组织表面的第二相θ(Al2Cu)逐渐析出且变得细小,当固溶时间达到14 h时,细小球形状θ相均匀的弥散分布在ɑ-Al基体中且大小在1μm左右。这是因为随着固溶时间的增加,在消除残余应力的同时,Cu元素在ɑ-Al基体中的溶解逐渐上升至过饱和,随着时效的进行,使过饱和在ɑ-Al基体中的Cu原子以θ(Al2Cu)相形式析出,Cu原子的尺寸0.145 nm比Al原子的0.142 nm要大,使原始晶体结构受到干扰,导致位错滑移受到阻碍,最终形成过饱和固溶体,固溶时间达到临界点14 h时,使试样组织成分分布均匀,由此可知,在相同的固溶温度下,固溶时间越长,固溶强度增加,使试样组织分布越均匀。

图3 不同固溶时间下SLM成形ZL205A试样SEM图 (a)固溶10h+时效4h (b)固溶12h+时效4h (c)固溶14h+时效4h(d)固溶14h+时效4h,放大。

SLM成形ZL205A铝合金试样在经538℃×14 h固溶后时效150℃×6 h时,析出相数量达到最大,位错个数下降,使应力集中减小,当时效时间增加到8 h时,晶粒相互合并现象,使晶粒变大分布混乱,最终导致细晶强化效果减弱。由此可知,时效时间可使时效强化增强,超过时效6 h时,弥散强化效果减弱。在区域内Mn的质量分数为19.6%,说明有T相的生成,在该区域内除了圆球状θ相之外,还有一个针状析出相出现,有可能就是T-(Al12CuMn2)相,但由于析出相太少在组织区域内并未找到其余的T相,T相的析出提高了试样的高温力学性能。

图4 不同时效时间下SLM成形ZL205A试样SEM图 (a)固溶14h+时效4h (b)固溶14h+时效6h (c)固溶14h+时效8h。
图5 固溶538 ℃×12h+时效150 ℃×6 h试样EDS图 (a)SEM (b)EDS。

经过热处理的SLM成形ZL205A铝合金试样中T-(Al12CuMn2)相在热处理过程中均存在,只是析出量少,导致其所对应的衍射峰相对较小,证实了图5中长棒状析出相为T相的结论。随着处理时间的增加,第二相θ-(Al2Cu)含量出现先变大后减小现象,由此可知,固溶时间和时效时间均对第二相的析出有促进作用。

图6 热处理下SLM成形试样的XRD图

2.2 热处理对SLM成形 ZL205A铝合金试样力学性能的影响

图7为SLM成形 ZL205A铝合金试样经不同固溶时间再时效4 h后的力学性能。可以看出,经过热处理后均比沉积态的力学性能有较高的提高,抗拉强度和屈服强度由沉积态的均提高了42.6%和21.8%,随着固溶时间的增加,试样的力学性能呈现上升趋势,抗拉强度和屈服强度由固溶10 h的327 MPa和225 MPa上升到固溶14 h的369 MPa和253 MPa,提升了12.9%和12.5%,但试样的抗拉强度在固溶12 h以后趋于平稳,伸长率则跟固溶时间成正比关系,由固溶10 h的6.2%上升到固溶14 h的6.9%,上升了11.3%。固溶时间的增加导致力学性能的明显提高,主要是因为溶入固溶体中的Cu原子不断增加,造成了晶格畸变,增加了位错运动的阻力,使滑移难以进行,从而使试样的强度增加。

图7 不同固溶时间下SLM成形 ZL205A铝合金试样的力学性能

图8为经538℃×14 h固溶后在不同时效时间下SLM成形 ZL205A铝合金试样力学性能。可以看出,热处理后力学性能均比沉积态要好,随着时效时间的增加,试样的抗拉强度和屈服强度呈现先上升后下降趋势,由时效4 h的369 MPa、232 MPa上升到时效6 h的388 MPa、241MPa最后下降到时效8 h的318 MPa、220 MPa,而伸长率与时效时间呈现反比关系,由时效4 h的6.9%一直下降到时效8 h的6.6%,下降了4.5%。由此可知,固溶538℃×14h+时效150℃×6h是SLM成形ZL205A铝合金试样热处理的最佳时间。

图8 不同时效时间下SLM成形 ZL205A铝合金试样的力学性能

2.3 热处理对SLM成形 ZL205A铝合金试样断口形貌的影响

图9为不同热处理时间下SLM成形 ZL205A铝合金室温拉伸断口形貌。可以看出,经过热处理后试样的断口均存在滑移特征以及面积大小不一的韧窝,由此可判断其断裂机制为韧性断裂。

从图9a~图9c看出,当固溶时间上升,韧窝尺寸和气孔数量逐渐下降,滑移现象减少;从图9c~图9e看出,随着时效时间的增加,韧窝尺寸先减小后变大,在时效6h时,大小相同的韧窝密集分布在断口表面,有效的提升了试样的力学性能。在这些韧窝底部均发现了析出相颗粒,见图9f,析出相的形成大幅度的提高了试样的综合性能。

图9 不同热处理下SLM成形ZL205A试样断口形貌SEM图 (a)固溶10h+时效4h (b)固溶12h+时效4h (c)固溶14h+时效4h (d)固溶14h+时效6h (e,f)固溶14h+时效8h。

文献引用

陈云华,卢百平,李仕豪,等. 热处理对SLM成形 ZL205A铝合金组织及性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2021,41(7):905-909

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