選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的拉伸與沖擊性能研究

選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)是激光增材制造技術(shù)的一種，也被稱為粉末床選區(qū)熔化技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的制造工藝，該技術(shù)具有更加優(yōu)異的復(fù)雜零件制備能力和良好的零件加工精度，是一種兼具精確成形和高性能成形的一體化零件制備技術(shù)。AlSi10Mg鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空航天、船舶制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以選區(qū)激光熔化成形AlSi10Mg鋁合金為研究對(duì)象，獲得了試樣不同方向的室溫拉伸及沖擊性能，并討論其斷裂失效方式。

試驗(yàn)材料為氣霧化法制備的球形AlSi10Mg鋁合金粉末，粉末粒徑為15～63μm，其主要化學(xué)成分如表1所示。采用SLM制備AlSi10Mg鋁合金試樣的工藝參數(shù)如下：激光功率為230W，掃描速度為1300mm/min，掃描間距為0.17mm，層厚0.03mm，層間采用67°旋轉(zhuǎn)。

為研究不同方向?qū)煨阅艿挠绊懀?guī)定平行于沉積方向的試樣為縱向試樣，垂直于沉積方向的試樣為橫向試樣。

對(duì)沉積態(tài)下AlSi10Mg合金不同方向的組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示，橫截面為垂直于沉積方向，縱截面為平行于沉積方向?？梢杂^察到，橫截面中Al-Si共晶組織呈現(xiàn)密集的長(zhǎng)條網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將Al基體分割開(kāi)。而縱截面中同樣能觀察到網(wǎng)狀共晶組織，但較為分散。不同方向下的部分區(qū)域中都存在連續(xù)的Al-Si共晶組織被破碎成分散不連續(xù)的顆粒狀。沉積態(tài)合金的微觀形貌是在Al基體上密布的網(wǎng)狀共晶組織，雖然網(wǎng)狀共晶組織在拉伸時(shí)對(duì)基體有一定的割裂作用，但仍起到阻礙位錯(cuò)的作用。

在室溫下，對(duì)不同方向AlSi10Mg鋁合金試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。室溫下AlSi10Mg鋁合金橫向試樣的平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為349MPa、243MPa和8.5%；而縱向試樣的平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為357MPa、247MPa和6.8%。而對(duì)于常規(guī)壓鑄而成的AlSi10Mg鋁合金，其抗拉強(qiáng)度不超過(guò)300MPa，伸長(zhǎng)率僅為3%左右，強(qiáng)度和塑性表現(xiàn)都較差。故相對(duì)于傳統(tǒng)鑄造而成的AlSi10Mg鋁合金，通過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的AlSi10Mg鋁合金具有較好的強(qiáng)度和塑性。

利用掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)一步觀察和分析，結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在斷口上分布有少量孔洞，這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋率先在試樣內(nèi)的這些缺陷處產(chǎn)生。對(duì)于縱向拉伸試樣，載荷作用于合金橫截面，拉伸應(yīng)力的軸線方向平行于沉積方向，橫截面上α-Al與Si界面較縱截面的多（見(jiàn)圖3-a），因此，在較大拉應(yīng)力作用下，縱向試樣更易在界面處發(fā)生分離，塑性略差。

不同方向的AlSi10Mg鋁合金試樣室溫沖擊性能如圖4所示。橫向試樣的平均沖擊吸收功為10.8J，而縱向試樣的平均沖擊吸收功為8.3J，橫向試樣的沖擊吸收功約是縱向試樣的1.30倍。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出沉積態(tài)試樣的沖擊韌性存在比較明顯的各向異性表現(xiàn)，橫向試樣的沖擊韌性優(yōu)于縱向試樣。

宏觀斷口形貌如圖5所示。對(duì)比橫向試樣和縱向試樣可以看出，橫向試樣在沖擊斷裂后斷口區(qū)域端兩側(cè)的變形量和剪切唇區(qū)域的面積高于縱向試樣，這說(shuō)明橫向試樣在沖擊過(guò)程中發(fā)生了更大的塑性變形，因此橫向試樣的吸收能量明顯高于縱向試樣。

為進(jìn)一步分析沖擊斷口不同區(qū)域的形貌特征，使用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察，如圖6所示。沖擊斷口宏觀上較為平整，但其微觀斷口形貌有明顯起伏，具有穿晶斷裂斷裂特征。

（1）不同方向的AlSi10Mg鋁合金的強(qiáng)度無(wú)明顯差異，極限抗拉強(qiáng)度都保持在350MPa左右；塑性方面，橫向試樣的伸長(zhǎng)率比縱向試樣高25%；橫/縱方向試樣都無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象，宏觀上二者的斷裂方式都表現(xiàn)為脆性斷裂。

（2）AlSi10Mg鋁合金的沖擊韌性存在較明顯的各向異性，橫向試樣吸收功高出縱向試樣約30%，這表明橫向試樣的沖擊韌性更加優(yōu)越。

（3）AlSi10Mg鋁合金沖擊斷口主要由纖維區(qū)和剪切區(qū)組成，剪切區(qū)的韌窩分布相比于纖維區(qū)更加密集和細(xì)??；橫向試樣的剪切區(qū)面積高于縱向試樣，其斷面收縮率和延性更好。

CHENG FENG

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AlSi10Mg 是一種常見(jiàn)的增材制造鋁合金粉末。其具有良好的工藝性，密度小，抗蝕性良好，從而在航空、儀表及一般機(jī)械中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞、輪轂、轉(zhuǎn)向助力器殼體等。

可用于選區(qū)激光熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）、激光直接沉積（DLD）、粉末冶金（PM）、注射成型（MIM），激光熔覆（Laser Cladding）等工藝。

【選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金的拉伸與沖擊性能研究】

張珞，陳銳敏，李智勇，王俊，劉奮成，尤啟凡，胡曉安