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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程。因此，從不同熱處理溫度下的試樣斷口形貌也間接說(shuō)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。

結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)熱處理后選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的共晶Si組織發(fā)生熔斷和球化，同時(shí)Si從過(guò)飽和的α-Al基體中析出，隨著熱處理溫度從300℃提升至500℃，Si顆粒尺寸逐漸增加。

（2）由于選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金合金中固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用不斷減弱，熱處理后合金的強(qiáng)度和硬度開(kāi)始下降，但塑性提升顯著，在400℃和500℃時(shí)伸長(zhǎng)率分別達(dá)到21.0%和20.8%。

（3）沉積態(tài)下試樣的斷裂方式為脆性斷裂，而熱處理后轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，并且隨著溫度提高韌窩的尺寸有所增加。

CHENG FENG

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