【摘要】：Al-Cu系鋁合金因其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和國防工業(yè)等領(lǐng)域。然而,傳統(tǒng)制造方法無法滿足越來越復(fù)雜的鋁合金零件的制備需求。激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術(shù)是一種新興的高性能復(fù)雜金屬零件增材制造技術(shù),有望為具有復(fù)雜形狀的鋁合金零件特別是薄壁零件的制備提供有效方法。由于Al-Cu系鋁合金的激光反射率高、熱裂傾向大以及極易氧化等特點(diǎn),其SLM成形研究非常缺乏,導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)發(fā)展滯后。本論文以AlCu系鑄造鋁合金AlCu5MnCdVA作為研究對象,系統(tǒng)研究其SLM成形過程中的熔凝行為,具體包括:熔道形貌演變、缺陷形成機(jī)制及控制、顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系、氧含量對成形過程的影響以及熱處理的調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)了高性能的SLM成形。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)基于接觸界面截面模型,分析計(jì)算了SLM成形熔道接觸角隨工藝參數(shù)和熱循環(huán)的演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)影響接觸角演變的主要原因是熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力和流動(dòng)時(shí)間,而不是界面張力決定的平衡狀態(tài)。隨著掃描速度的增加和掃描間距的增加,接觸角增加;SLM成形水平熱循環(huán)下,接觸角隨著掃描道數(shù)的增加先下降后趨于穩(wěn)定;復(fù)雜熱循環(huán)下,穩(wěn)定接觸角隨著掃描層數(shù)的增加先增加后下降再趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之吻合良好。(2)在理論計(jì)算了SLM成形過程中激光吸收率及熔池尺寸的演變規(guī)律的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了不同工藝參數(shù)下SLM成形的AlCu5MnCdVA合金的熔池尺寸及表面粗糙度及其隨水平熱循環(huán)、垂直熱循環(huán)、復(fù)雜熱循環(huán)的演變規(guī)律。結(jié)果表明:熔池寬度隨著掃描速度和掃描間距的增加而下降;塊體的表面粗糙度隨著掃描速度的增加而先減小后增加,隨著掃描間距的增加而增加。在水平熱循環(huán)下,熔池寬度先變大后趨于穩(wěn)定;在垂直熱循環(huán)下,熔池寬度先減小后增大再趨于穩(wěn)定,熔化穿透深度先增大后趨于穩(wěn)定;在復(fù)雜熱循環(huán)下,熔池的寬度和熔化穿透深度均先增大后趨于穩(wěn)定,表面粗糙度先增加后下降再趨于穩(wěn)定。熔道形貌隨熱循環(huán)的演變規(guī)律不受工藝參數(shù)影響。熔池的形貌演變受到熱積累效應(yīng)、熔池流動(dòng)能力、熔池壽命、粉床激光吸收率和熱傳導(dǎo)能力的大小及方向共同影響。成形試樣的表面粗糙度演變受到沿掃描方向的熔池起伏程度與垂直于掃描方向的穩(wěn)定接觸角共同影響。(3)研究了不同掃描速度及掃描間距下SLM成形AlCu5MnCdVA合金的缺陷特征及形成機(jī)制。結(jié)果表明:缺陷尺寸及形狀與工藝參數(shù)存在顯著的關(guān)系,隨著掃描速度及掃描間距的增大,缺陷的平均尺寸增加,形狀由圓形向線形轉(zhuǎn)變。其中成形過程中產(chǎn)生的凝固裂紋為主要缺陷,其原因是由于糊狀區(qū)液相回流不足,在局部應(yīng)力作用下最終開裂。基于弗雷爾準(zhǔn)則,本論文理論計(jì)算了SLM成形鋁合金熔池產(chǎn)生凝固裂紋的條件,結(jié)果顯示,隨著掃描速度的增加,凝固裂紋產(chǎn)生傾向增大。采用優(yōu)化的工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了無裂紋高致密度的成形,最大相對密度為99.9972%。(4)研究了SLM成形的AlCu5MnCdVA合金無裂紋試樣的顯微組織及力學(xué)性能。結(jié)果表明:力學(xué)性能隨掃描速度變化不明顯,并且不存在明顯的各項(xiàng)異性。成形試樣的顯微組織主要由α-Al基體及平衡相Al2Cu組成,具有固溶度高、晶粒細(xì)小、織構(gòu)較弱以及位錯(cuò)密度高等特點(diǎn),其力學(xué)性能的主要強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相粒子強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化。強(qiáng)化模型計(jì)算結(jié)果表明細(xì)晶強(qiáng)化貢獻(xiàn)最高。(5)研究了氧含量對SLM成形試樣的成形質(zhì)量、顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:高氧(200 ppm)試樣力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低氧(20 ppm)試樣。在不影響成形質(zhì)量情況下,試樣無論在高氧(200 ppm)還是低氧(20 ppm)下成形,其相對密度、晶粒尺寸、相組成差異都很小,造成高氧試樣在拉伸過程中提前斷裂的原因是高氧試樣中含有大尺寸的含氧化合物顆粒,這些大尺寸顆粒是在成形過程中通過化學(xué)反應(yīng)生成的含氧化合物通過生長及碰撞形成。保護(hù)氣氛中氧含量越高,生成的一級顆粒越多,最終顆粒的尺寸越大。因此對于鋁合金,必須嚴(yán)格控制成形氣氛中的氧含量。(6)對SLM成形試樣的熱處理技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:SLM成形的AlCu5MnCdVA合金試樣由于本身處于過固溶狀態(tài),因此相較于傳統(tǒng)工藝制造的AlCu5MnCdVA合金所需要的固溶時(shí)間更短;時(shí)效處理后的試樣,第二相粒子強(qiáng)化占據(jù)主導(dǎo)強(qiáng)化因素,制件的不同力學(xué)性能主要受到析出相的種類、數(shù)量、尺寸及形態(tài)所影響。成形試樣經(jīng)過僅固溶處理后能獲得優(yōu)異的性能,其屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、延伸率分別為217.2 MPa、412.7 MPa和19.18%。不同時(shí)效處理的析出行為存在顯著差異,隨著時(shí)效溫度的提高,析出相的種類及形態(tài)發(fā)生改變,生長速度增加,強(qiáng)度達(dá)到最大值所需要的時(shí)間縮短;隨著時(shí)效時(shí)間的延長,析出相逐漸長大,強(qiáng)度先上升,但過于粗化的析出相使力學(xué)性能下降。彌散分布的θ''相是試樣屈服強(qiáng)度顯著上升的最直接原因,θ''相還會(huì)對試樣的織構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。熱處理后,試樣的拉伸強(qiáng)度大幅度提升。屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別可以達(dá)到383.3 MPa和476.2 MPa,此時(shí)延伸率為7.85%,表現(xiàn)為混合型斷裂。
【圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 用振鏡高速掃描，并結(jié)合較小的光斑直徑（50-200μm）與制備的零件成形精度高，表面質(zhì)量好；（3）工藝簡單，制或者僅需噴砂和拋光類的簡單后處理工藝；（4）省去模具周期短；（5）可根據(jù)用戶需求，加工各種小批量、個(gè)性，可以加工的材料能從單一粉末到復(fù)合粉末、高熔點(diǎn)難熔，SLM 技術(shù)由于突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形上的雜結(jié)構(gòu)的鋁合金制件，推動(dòng)鋁合金在工業(yè)應(yīng)用上的進(jìn)一步航天、交通運(yùn)輸及國防工業(yè)等行業(yè)應(yīng)用中保持重要地位。

兩層 Cu 原子之間被三層 Al 原子隔開。θ''與基體完全共格，θ''與基體具有如下位向關(guān)系：(001)θ''//(001)α，(001)θ''//(010)α，(001)θ''//(100)α，<100>θ''//<100>α[20]。θ'的化學(xué)式是Al2Cu，是四方畸變的 CaF2結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)為 a=4.05 ，c=5.81 。Shen 等人[21]利用準(zhǔn)原位試驗(yàn)法研究了 Al-Cu 合金中的 θ'相的形成機(jī)制，結(jié)果表明：在 θ''相存在的情況下，θ'相由 θ''相經(jīng)過原子重排原位轉(zhuǎn)變形成。另外也有研究表明 θ'在位錯(cuò)、亞晶界和空位團(tuán)等位置優(yōu)先單獨(dú)形核[22-24]。θ'與基體為半共格關(guān)系，，θ'與基體具有如下位向關(guān)系：{001}θ'//{001}α，<010>θ'//<010>α[25]。θ 相的化學(xué)式為 Al2Cu，是體心四方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)為 a=6.067 ，c=4.877 。其中，Cu 原子占據(jù)±(0,0,1/4)，Al 原子占據(jù)±( , +1/2,0), ±( +1/2, , 0)，其中 =0.1581[26]。θ 相是平衡相，其與基體非共格。在實(shí)際時(shí)效處理過程中，整個(gè)序列的相不一定都會(huì)出現(xiàn)。如果時(shí)效溫度超過了析出序列中某一析出相的固溶溫度，則該析出相及析出序列中之前的析出相均不會(huì)出現(xiàn)[27]。合金的析出行為受到元素的顯著影響，在 Al-Cu 合金的析出過程中，Mn、Cd、In、Sn 等元素均能產(chǎn)生重要影響[22, 28-30]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN249;TG665

【參考文獻(xiàn)】

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