纳米TiN改性7075铝合金的激光选区熔化成形研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Hzw_56
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激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)能制造出几何形状复杂的高质量金属零件,体现出极高的设计自由度和制造灵活性。然而SLM技术目前只能可靠地打印部分合金,因此有必要拓宽适用于该技术的合金体系。7075铝合金是一种具有高比强度的先进工程材料,而通过SLM技术可将拓扑优化与7075铝合金相结合,实现轻质高强结构件的生产。但是,该合金在SLM加工过程中表现出很强的热裂倾向,制备的零部件因存在大量裂纹而失去应用价值。现阶段主要通过引入形核剂或合金元素来解决开裂难题。鉴于此,本文首先对7075铝合金粉末特性及其SLM工艺参数进行研究。其次引入纳米TiN颗粒对7075铝合金粉末进行改性,通过超声振动分散法制备出均匀混合的TiN/Al7075复合粉末,并对复合粉末特性进行表征与分析。最后重点研究了不同TiN添加量和热处理工艺对SLM成形TiN/Al7075复合材料组织与性能的影响,探讨了纳米TiN颗粒作为一种新型形核剂对7075铝合金热裂纹的消除作用。本研究主要获得以下结论:对7075铝合金粉末特性进行表征与分析,结果表明:粉末D10=22.3μm,D50=33.1μm,D90=52.3μm。粉末圆度的平均值为87.2%,欧奇奥钝度的平均值为74.1%,未粘连卫星颗粒的粉末占比为33.6%,说明粉末的卫星化程度较高,且存在部分形状不规则的颗粒。粉末主要由α-Al相构成,粉末表面微观组织主要为树枝晶和胞状晶。对上述粉末进行SLM成形发现:试样致密度最高可达97.65%。当扫描速度较高时,随着激光功率的提高,试样的裂纹变浅、数量减少,但平均长度增加。当激光功率较低时,随着扫描速度的增加,试样的裂纹变深、数量增多,但平均长度减小。在激光功率为310 W~325W、扫描速度为1000 mm/s~1200 mm/s范围内,试样表面质量较优,其上表面粗糙度平均值为Ra 8.52μm。在激光功率为295 W~310 W、扫描速度为800 mm/s~1000 mm/s范围内,试样的内部缺陷较少、显微硬度较高。试样的第二相形貌主要为圆状、针状和不规则形状,其中圆状相为Al2Cu Mg相。采用超声振动分散法制备了TiN/Al7075复合粉末,并对复合粉末的特性进行了分析:纳米TiN颗粒均匀分布于7075铝合金粉末表面,不同TiN含量的复合粉末粒径分布均符合SLM工艺要求,且粉末球形度与7075原始粉末保持一致。随着TiN含量的逐步增加,复合粉末的激光反射率不断降低,其SLM可加工性得到持续改善。对SLM成形TiN/Al7075复合材料进行分析,结果表明:随着TiN添加量的增加,成形试样达到最优致密度所需的激光体能量密度逐渐减小。适当含量的TiN(1 wt.%和2 wt.%)可使成形试样的显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶,从而降低热裂倾向,使裂纹得到抑制甚至消除。但过量的TiN(4 wt.%和6 wt.%)会使试样产生圆形孔洞等缺陷。纳米TiN颗粒与基体结合良好,且这些颗粒能阻碍晶界运动、抑制晶粒长大以及促进再结晶进程,从而使显微组织细化并消除其织构取向。2 wt.%TiN/Al7075复合材料的综合性能最佳,其抗压强度为932±15 MPa,屈服强度为369±10 MPa,压缩应变为36.0±1.5%,远高于未改性的7075铝合金试样。对SLM成形2 wt.%TiN/Al7075复合材料进行了热处理工艺优化。结果表明:最优热处理参数为470℃固溶2h+120℃时效18 h。热处理试样的显微组织中存在针状的Al2Cu相和颗粒状的Al2Cu Mg相,并且析出了GP区、η’相以及η相。在热处理后,试样的力学性能得到进一步提升,其抗拉强度为355±12 MPa,屈服强度为324±9 MPa,断后伸长率为6.5±0.4%。但圆形孔洞和脆性TiN团簇的存在易使试样萌生裂纹源,从而降低试样的强度及塑性。
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