应用于激光粉末床熔融技术的准晶增强铝基复合材料

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目前关于激光粉末床熔融(LPBF)增材制造技术成形高性能Al基复合材料的主要方法是在铝基体中加入硬质陶瓷颗粒,但大部分陶瓷颗粒的热性能,力学性能等与铝基体差异较大,冶金结合不良,可能导致成形零件在复杂载荷条件下过早失效,例如动载疲劳,热疲劳等。

金属增强体,如金属间化合物、金属玻璃和准晶(QCs),由于其与金属基体相协调的优异性能而受到越来越多的关注。准晶具有高硬度、低摩擦系数和高抗腐蚀/磨损性。在众多准晶合金中,Al-Fe-Cr系准晶合金的成本低,准晶可成形性好。

巴黎高科国立高等工艺与技术学院(Arts et Metiers Paristech),MSMP实验室增材制造方向负责人,康楠副教授团队,以LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料为研究对象,重点研究了LPBF制备过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化规律和强化机制,以期为获得LPBF成形高性能Al合金提供理论依据和设计支持。本期谷.专栏将分享这一科研成果的主要内容。

article_LPBF_Material_1相关论文发表在Advanced Powder Materials期刊。

论文下载:https://wwul.lanzoue.com/iDRl90k7jbkd

block 研究内容

采用LPBF工艺制备Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料的最佳能量密度范围为150~250 J/mm3。在最优工艺参数下,LPBF成形的Al-Fe-Cr合金具有快速凝固诱导产生的多级异构组织复合结构。成形试样的致密度高,可达99.8%±0.08%,且无明显的缺陷。

从宏观上看,该合金由沿熔池边界外延生长的柱状晶构成,熔池边界准晶富集,熔池内部准晶贫瘠。从单一熔池的角度来看,SLM成形的样品呈现出明显复合结构:熔池内部的激光熔合区(LFZ);熔池边界(MPB)和热影响区(HAZ)。在LFZ观察到大小为100至300nm球形Al-Fe-Cr准晶颗粒,这些细小的准晶颗粒被包围在Al基体构成的尺寸细小的胞状结构内。粗大的花瓣状/球形准晶颗粒和矩形的θ-Al13(Fe, Cr)2-4颗粒分布在MPB。此外,HAZ呈现出弥散分布在α-Al基体中的尺寸细小的球形、矩形或无定形颗粒的微观组织。这种异质结构的形成可以归因于LPBF加工过程中单个熔池内的温度梯度和凝固速度的差异。

article_LPBF_Material_2图1 LPBF成形试样的熔池形貌与非均匀分布组织。

article_LPBF_Material_3图2 LPBF成形试样的熔池不同区域的相分析。

article_LPBF_Material_4图3 (a)LPBF成形Al-Fe-Cr合金制备过程示意图与计算凝固曲线;(b)单个熔池的典型组织形貌示意图和(c-e)SLM快速凝固过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化示意图。

LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料表现出较高的抗拉强度。沉积态成形样品的静态力学性能分析结果显示:该合金的抗拉强度为530.80±3.19 MPa,屈服强度为395.06±6.44 MPa,试样的延伸率为4.16%±0.38%。LPBF工艺成形Al-Fe-Cr合金的宏微观组织特征与拉伸力学行为间关系的研究结果表明:由于成形试样中二十面体纳米准晶颗粒带来的Orowan强化以及成形试样内部位错强化的共同贡献,该合金表现出较高的抗拉强度和屈服强度。由样品的断口分析结果可知,其断裂失效行为是韧-脆混合断裂机制。

article_LPBF_Material_5图 4 LPBF成形试样的应力-应变曲线,性能对比与断口分析。

block 总结

本文以LPBF成形准晶增强Al-Fe-Cr 合金为研究对象,对该合金的组织特征和力学性能进行了表征。明晰了异构组织的构成,并深入讨论了纳米准晶颗粒的相变与基体之间的位相关系,厘清了LPBF成形Al-Fe-Cr合金的组织演化机制,研究了成形试样的拉伸性能,揭示了准晶颗粒对其力学性能的强化机制,为后续开发适用于LPBF技术的高性能铝合金提供了新视角。

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