武汉理工、中航发等 l 超高速激光熔化扫描速度对Al-Mg-Sc高强铝合金的性能的影响

|3DScienceValley· 2024/04/15

谷专栏

以下文章来源于航空材料学报，作者文聘

自21世纪以来，随着高速列车，航空航天技术的快速发展，高强铝合金构件逐渐向大型化、一体化及复杂化方向不断发展。传统的铝合金制备方法存在加工周期长、成本高、易出现缺陷等问题。激光熔化沉积技术作为增材制造工艺的一种，具有制备周期短、成本低、成形质量高等优点，成为了高强铝合金构件制备的重要手段之一。传统激光熔化沉积技术利用激光束在基体表面形成熔池，粉末进入熔池后受热熔化。而在超高速激光熔化沉积过程中，粉末于熔池上方在激光加热下发生熔化，仅少量粉末在熔池中熔化。

现阶段，超高速激光熔化沉积主要用于钢、高温合金等零件的表面熔覆，鲜见用于Al-Mg-Sc高强铝合金的成形制备，其缺陷特征、显微组织及力学性能等均有待揭示。针对现有增材制造技术沉积效率低这一问题，本工作以超高速激光熔化沉积技术进行Al-Mg-Sc高强铝合金增材制造成形研究，探究沉积态组织与力学性能特征，分析扫描速率对组织、缺陷及力学性能的影响规律，采用ESCAAS数值模拟软件的热力强耦合拉格朗日无网格法对成形过程进行模拟，以真实粉末性能（尺寸大小、形状等）作为输入，对粉末颗粒和基体的温度、物相和形状演变的进行详细描述。

▲论文链接：

https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000098

研究内容

图1（c）展示了激光熔化沉积的原理，将基体放在喷口下方，合金粉末原料在激光照射下熔化，形成熔池得到超强铝合金，再经过打磨、抛光、切取便可得到实验所用的标准试样品，如图2（a）所示。合金粉末原料的化学成分为Al-5Mg-0.5Sc-0.9Mn-0.35Zr-Si-0.6Ti-0.5Cu-0.25Cr（质量分数/%），其粉体粒径分布如图1（a）所示。

图1 原料粉末扫描电镜照片（a）粉体粒径分布；（b）超高速激光熔化沉积示意图；（c）激光熔化沉积原理图。

图2 拉伸试样（a）样品照片；（b）样品尺寸。

对制备的样品进行拉伸实验，采用视频引伸计记录位移，同步记录横梁载荷得到载荷-位移曲线，并绘制出如图3所示的应力-应变曲线。

图3 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金不同扫描速度成形样品应力-应变曲线。

图4为超高速激光熔化沉积增材制造Al-Mg-Sc合金样品的扫描电镜照片。由图4可看出，样品内部致密，无裂纹、夹杂或未熔合等缺陷存在，但存在少量尺寸在200 μm以下的气孔，且气孔数量随着扫描速率的增加明显减少。

图4 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金不同扫描速率成形样品的内部气孔(a)0.1 m/s；(b) 0.4 m/s；(c) 1 m/s。

图5~7为不同扫描速率下成形样品进行EBSD分析得到ODF图，再分别选取其中ϕ2=0°、45°、90°织构截面进行分析。可以看出扫描速率为0.1 m/s和0.4 m/s的样品有明显的峰值,表明材料表现出一定但不明显的各向异性，而扫描速率为1 m/s的样品中并没有明显的峰值，说明其未有明显的织构取向。

图5 扫描速率0.1 m/s成形样品的ODF图