Al-Mn-Mg高强铝合金及选区激光熔化成形组织调控.pdf

摘要

摘要

航空航天及交通运输领域目前均已进入了轻量化时代，通过对结构和材料进

行轻量化替代可以有效提高航空航天器及运输设备的性能并节约运行成本。利用

选区激光熔化(SLM)技术来成形这些复杂的轻量化结构极具优势，再结合高比强度

的轻质铝合金可以使轻量化效果最优。然而该技术成形过程及原理复杂且迥异于

传统减材加工，使得针对传统加工设计的各类合金很难完全发挥SLM成形优势。

因此针对SLM特点进行新成分合金研发能最大限度发挥SLM技术优势，对轻量

化应用及继续推进航空航天等领域进入更高水平来说也是十分必要且迫切的。本

论文的主要目的是针对SLM特点设计一种新的轻质高强铝合金并探索SLM微熔

池熔凝行为、缺陷形成及组织演化潜在机理，最终通过调控得到致密的、具有合理

结构的微观组织并使新成分合金的抗拉强度达到600MPa。

首先通过伪二元相图研究了各元素对合金成形性影响。发现单一增加Mg含

量不仅可能导致更高的热裂敏感性，对合金强度提升效果也不够显著。采用Mn/Mg

两种元素复合强化不仅可以改善合金成形性，对机械强度改善也更为显著。但Mg、

Mn两种元素的固溶能力存在互相制约关系，两者比例需进一步平衡。为此利用“团

簇-连接原子”模型并调整微合金元素成分，确定新的高强铝合金成分为：Al-4.8Mn-

2.6Mg-0.8Sc-0.5Zr-0.44Cu-0.3Cr(wt.%)。之后对新成分合金成形性进行验证，基

于熔池尺寸信息及熔池叠加规律建立了沉积组织快速预测模型，通过该模型研究

了新成分合金的成形工艺性并确定了合适的工艺窗口。当采用的工艺参数组合满

足体积能量密度为65~100J/mm3和归一化焓为3.3~4.5的条件时，所制备的试样都

具有较高的相对致密度(99.75%)，这也证明合金较好的成形工艺性。

其次研究了合金中微合金化元素对组织及析出相的影响，通过多道次移动热源

的温度场数值模拟结合显微组织分析结果，发现微熔池凝固过程变化范围较大的

凝固条件导致了熔池内双态异构组织。Sc、Zr元素的加入有利于细化晶粒并增加

细晶区占比，整个组织由晶粒尺寸约为0.3~1μm细小等轴晶和尺寸约为3~25μm

粗大柱状晶交替构成。工艺参数导致的凝固条件差异也会影响等轴晶带厚度，最终

的细晶区占比是受熔池凝固行为及空间堆积关系共同影响的。最终选取细晶区占

比最高的工艺参数来成形拉伸试样，具体参数为：370W-1459mm/s-0.13mm。经

3

计算该参数下体积能量密度(E)为65J/mm，归一化焓(ΔH/h)及平均重熔次数

vs

(NMC)分别为4.1和3.32。

Sc、Zr元素复合添加导致晶界处产生大量与α-Al基体呈非共格关系的

Al(ScZr)相。经过相图及第一性原理计算分析认为初生Al(ScZr)是由AlZr

3x1-x3x1-x3

I

哈尔滨工业大学博士学位论文

成核而后Sc原子对Zr置换而形成的，原子置换时发生空间对称结构变化导致晶

格参数及界面关系转变。结合计算与实验结果估算该相晶格常数约为0.5402nm，

与α-Al界面错配度约为34.57%，该相可能会以阻碍晶粒生长的方式参与晶粒细

化。而合金中Mn元素在成形高冷速作用下形成了具有五重对称结构的二十面体

含Mn准晶相，依据价电子浓度及原子半径判据对准晶成分进行计算，本合金中准

晶相的化学成分为Al80Cu2.83Mn17.16(at%)，e/a为1.9849，而Rav为1.415