高性能铝合金研究进展
铝合金材料的力学性能研究
铝合金材料的力学性能研究铝合金是一种常用的金属材料，因其具有轻质、强度高等优越的性能特点，广泛应用于航空航天、汽车、电子等行业。
在铝合金材料的应用领域，其力学性能是至关重要的，因为它直接关系到材料的稳定性和安全性。
本文将重点探讨铝合金材料的力学性能研究，旨在为相关领域的科研工作者提供一些有价值的参考。
1. 铝合金材料的力学性能力学性能是铝合金材料在外力作用下的表现，主要包括强度、韧性、塑性等指标。
其中，强度是指材料在静力学条件下抗拉、抗压、抗弯等方面能够承受的最大应力值。
韧性是指材料在破坏前能够吸收的能量。
塑性是指材料在受力时的变形能力。
铝合金材料的力学性能与其化学组成、制备工艺、晶体结构等因素密切相关。
通常，铝合金中添加的合金元素可以改变其力学性能，如添加镁、锰等可以提高强度和韧性；添加硅、铜等可以增强材料的塑性和耐腐蚀性。
2. 铝合金材料力学性能研究方法针对铝合金材料的力学性能研究，一般采用实验测试和数值模拟两种方法。
实验测试是通过制备标准试样，应用拉伸试验、冲击试验、硬度试验等方法来测试材料的强度、韧性、塑性等性能指标，以得出材料的力学性能数据。
数值模拟则是通过利用计算机模拟软件，建立材料的数值模型，输入材料参数、加载条件等参数，再进行数值计算，以得出材料在各种应力条件下的力学响应。
数值模拟方法可以大大降低实验成本，减少实验样品的消耗和时间成本，同时还可以提高试验结果的可靠性和精度。
3. 铝合金材料力学性能研究进展近年来，铝合金材料的力学性能研究在国内外都得到了较快的发展。
许多领域的科研工作者已经开展了相关的研究。
在实验测试方面，研究者们不断开发新的材料制备方法和测试技术，以提高测试结果的可靠性和精度。
同时，他们也在不断寻求新的合金元素加入方案，以进一步提升铝合金材料的力学性能。
在数值模拟方面，随着计算机技术的不断进步，计算能力不断提高，数值模拟的结果也越来越精确。
4. 铝合金材料力学性能研究应用铝合金材料力学性能的研究在很多领域都有应用。
超高强铝合金RRA热处理工艺的研究进展
超高强铝合金RRA热处理工艺的研究进展
冯春;刘志义;宁爱林;曾苏民
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2006(020)004
【摘要】7000系超高强铝合金是航空航天工业的主要结构材料之一,T6(峰时效)状态下该系合金强度最高但对应力腐蚀(SCC)十分敏感,RRA(回归再时效)工艺兼顾了合金的强度和抗应力腐蚀性能,适应目前航空航天工业对结构材料的要求.综述了过去30年超高强铝合金RRA热处理工艺的发展和最新研究动态,并较全面地介绍了RRA热处理对超高强铝合金组织与性能的影响.
【总页数】4页(P98-101)
【作者】冯春;刘志义;宁爱林;曾苏民
【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙,410083;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆,401326
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2
【相关文献】
1.RRA处理对超高强铝合金微观组织与性能的影响 [J], 曾渝;尹志民;朱远志;潘青林;周昌荣
2.RRA处理对超高强铝合金抗应力腐蚀性能的影响 [J], 冯春;刘志义;宁爱林;曾苏
民
3.超高强铝合金热处理工艺及其应用 [J], 张尉;仇振安;靳冉;高秋芳;黄天勇
4.超高强铝合金热处理工艺及其应用 [J], 张尉;仇振安;靳冉;高秋芳;黄天勇
5.回归时间对RRA处理超高强铝合金力学性能的影响 [J], 宁爱林;刘志义;冯春;曾苏民
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AlSi10Mg合金的SLM工艺控制的研究进展
AlSi10Mg合金的 SLM工艺控制的研究进展摘要：一些形状复杂的铝合金常以AlSi10Mg合金粉末为材料，通过选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)技术制造得来，主要应用于航空、汽车等领域。
本文主要讨论AlSi10Mg的SLM工艺控制点。
关键词：AlSi10Mg合金；SLM工艺；微观结构；综合性能0 引言铝合金具有轻质、高比强度等特点，被广泛应用于航天、汽车等行业领域的轻量化设计中。
AlSi10Mg合金是Al-Si-Mg系亚共晶合金的一种，因其良好的流动性与气密性[1]而具有较好的使用效果。
随着轻量化要求的提出，合金构件的形状复杂程度提升[2]，激光选区熔化技术是实现高性能构件复杂成型的有效途径。
本文主要论述AlSi10Mg的SLM工艺控制要点。
1 SLM技术原理SLM技术是一种以高能激光束为热源[3]、金属粉末为原料的增材制造技术。
工作原理是按照规划好的路径，激光束逐层选区熔化堆积得到组织致密的金属构件。
操作人员通常利用建模软件如CAD设计模型，对三维模型进行切片处理，将文件导入SLM成型设备中。
等到逐层加工完成后，将成品从基板上取下，进行热处理等后续工艺，以便得到满足性能要求的金属构件。
2 SLM技术对AlSi10Mg粉末的性能要求粉末主要采用无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA)和等离子旋转电极雾化法(PREP)[4,5]制备。
评价指标主要包括化学成分、比表面积、粒径分布、球形度、流动度和松装密度等。
SLM技术要求AlSi10Mg粉末尽可能粒径分布窄、球形度高、流动性好、氧含量低、松装密度高[4-6]。
3 AlSi10Mg合金的SLM工艺规律SLM工艺参数是AlSi10Mg合金的SLM过程中对试样质量影响较大的因素。
常见的SLM工艺参数有扫描间距、激光功率、层厚、扫描速度、点距等，通过合理调整这些参数，能够获得组织致密的合金构件，使其呈现出较少的表面缺陷与孔洞。
增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展
第51卷2023年3月第3期第29-38页材料工程J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n gV o l.51M a r.2023N o.3p p.29-38增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展R e s e a r c h p r o g r e s s i nd e f e c t s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y李雯哲1,钱锋1,2*,程兴旺1,2,3(1北京理工大学材料学院,北京100081;2北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室,北京100081;3北京理工大学唐山研究院,河北唐山063003)L IW e n z h e1,Q I A NF e n g1,2*,C H E N G X i n g w a n g1,2,3(1S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;2N a t i o n a lK e y L a b o r a t o r yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o n M a t e r i a l sU n d e r S h o c ka n dI m p a c t,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;3T a n g s h a nA c a d e m y,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,T a n g s h a n063003,H e b e i,C h i n a)摘要:铝合金是一种重要的轻质金属结构材料,广泛应用于航空航天和交通运输等领域㊂行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求,传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂增材制造作为一种新兴的快速成形技术,为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路㊂然而,由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质,通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,严重损害其力学性能,限制其实际生产应用㊂本文综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展及发展趋势,并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分,进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂关键词:中高强铝合金;增材制造;缺陷;优化工艺参数;优化合金成分;添加形核剂d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2022.000038中图分类号:T G146.2+1文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2023)03-0029-10A b s t r a c t:A l u m i n u ma l l o y i s a n i m p o r t a n t l i g h tm e t a l s t r u c t u r a lm a t e r i a l,w h i c hh a s b e e nw i d e l y u s e d i na e r o s p a c ea n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r i e s.W r o u g h ta l u m i n u m a l l o y s g e n e r a l l y r e q u i r ee x t r u s i o n, r o l l i n g o r f o r g i n g a f t e rc a s t i n g t ob e p r o c e s s e di n t of i n i s h e d p r o d u c t s.H o w e v e r,t h i sc o n v e n t i o n a l c a s t i n g-d e f o r m i n g-c u t t i n g s u b t r a c t i v e m a n u f a c t u r i n g r o u t eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t t o m e e t t h e m a n u f a c t u r i n g d e m a n d so fh i g h e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y.A sa n e m e r g i n g m a n u f a c t u r i n g m e t h o d,a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g(AM)p r o v i d e s b r a n d-n e w p o s s i b i l i t i e s f o r t h e m a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n u m a l l o y sb y d e p o s i t i n g s u b s e q u e n t l a y e r sb a s e do nd i g i t a ld r a w i n g f i l e s t o m a k e t h r e e-d i m e n s i o n a l o b j e c t s.H o w e v e r,m o s t a l u m i n u ma l l o y s a r e s u f f e r i n g f r o mt h e v a r i o u s d e f e c t i s s u e sd u et ot h e m a n u f a c t u r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r-b a s e d AM p r o c e s s e sa n ds e v e r a l i n t r i n s i c p r o p e r t i e so fa l u m i n u m a l l o y s,w h i c hi m p a i rt h e i r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dl i m i tt h e i ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s.V a r i o u s d e f e c t s a n d c o r r e s p o n d i n g c a u s e s i na d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e dm e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h i s p a p e r.I na d d i t i o n,l a t e s t r e s e a r c h e so ne l i m i n a t i n g d e f e c t s a n d t h u s i m p r o v i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fAMa l u m i n u ma l l o y sw e r e s u m m a r i z e d f r o mt h r e e a s p e c t s:p r o c e s s p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o na n dn u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n.Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月T h i s w o r k d e m o n s t r a t e s t h a t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r a n d a l l o y c o m p o s i t i o n s h o u l d b e r e g u l a t e d s y n e r g i s t i c a l l y t o i m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y,a n dt h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n ts h o u l da l s ob ei n v e-s t i g a t e d.K e y w o r d s:m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t h a l u m i n u ma l l o y;a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g;d e f e c t;p r o c e s s p a r a m e-t e r o p t i m i z a t i o n;a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o n;n u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n铝合金因具有比强度高㊁导热导电性良好和耐腐蚀等优点,一直作为最重要的轻质金属结构材料被广泛应用于航空航天㊁交通运输㊁电力传输㊁机械制造㊁核电和建筑等国家战略产业[1]㊂如今这些行业的快速发展不仅要求铝合金具有优良的服役性能,对其制备过程也提出了越来越高的要求,传统的减材制造方法已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂因此,探索更为稳定㊁智能的铝合金零件制备方法成为铝合金行业亟待解决的难题㊂增材制造是一种新兴的快速成形技术,其本质是以数字化模型为基础,在计算机的指令下,将金属粉末或丝材通过逐道次㊁逐层制造的方式制备成三维金属零件㊂因此,增材制造能够摆脱模具的限制,以近净成形的方式高效制备结构高度复杂的金属零件,为铝合金零件的制备提供了崭新的思路㊂然而,增材制造往往采用激光束或电子束作为能量源,使合金在极高的温度梯度和冷却速率条件下发生凝固;此外,中高强铝合金具有高热导率和激光反射率㊁宽凝固温度范围等本征性质㊂因此,采用增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,其中热裂纹问题最为严重,损害零件的力学性能和使用安全性,限制其实际生产应用㊂本文总结了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展和发展趋势㊂1中高强铝合金铝合金是以纯铝为基础的合金总称,主合金元素有铜㊁硅㊁锰㊁锌㊁镁等,微量合金元素包括镍㊁铁㊁钛㊁铬㊁锂等[1],根据主合金元素的不同可分为八大类铝合金[2]㊂其中2ˑˑˑ(A l-C u),6ˑˑˑ(A l-M g-S i)和7ˑˑˑ(A l-Z n-M g)系铝合金为中高强铝合金,都属于可热处理强化型铝合金,经过固溶+高温人工时效(160~200ħ)热处理后可达到峰值时效(T6)状态㊂T6态中高强铝合金的高密度纳米析出强化相阻碍位错运动,产生时效强化效果使其强度达到最高值㊂2/6/7ˑˑˑ系中高强铝合金中的合金元素含量较低,都属于变形铝合金[3]㊂目前铝合金零件的制备主要依靠 铸造 变形加工 去除切削 热处理 流程[4],首先通过熔炼和铸造生产出铝合金铸坯锭,随后对其进行轧制㊁挤压㊁冷拔㊁锻造或冷冲变形加工,制成板㊁带㊁管㊁棒或线状铝合金零件半成品,最终通过去除处理(如铣削㊁锯切等方式)和热处理得到自由形状铝合金零件成品㊂不难看出,上述传统制造过程会产生大量工业废气废水㊁铝灰废渣和工业噪声等㊂进入21世纪以来,世界各国普遍意识到 节能减排,绿色发展 的必要性,我国更是提出 努力争取2060年前实现碳中和 的奋斗目标,因此,响应国家优化能源结构㊁建立健全绿色低碳循环发展的号召,探索更为环境友好的中高强铝合金制造方法成为亟待解决的难题㊂2金属增材制造2.1金属增材制造特点金属增材制造的过程可分为4步:(1)通过计算机辅助设计-计算机辅助制造(C A D-C AM)软件建模,设计出所需要的复杂结构[5];(2)将三维模型转化为S T L格式的文件,即将物体模型的所有表面都近似处理为多边形结构[6];(3)将S T L格式的模型分切成无数个横截面,即逐层切片[7];(4)指导打印机逐层㊁逐行㊁逐点打印㊂金属增材制造颠覆了传统减材制造的流程规划和理念模式,对传统制造业向现代制造业的转变产生了深刻影响[8-9]㊂增材制造的显著特征可概括为以下3点:(1)近净成形,仅需要少量甚至无须后加工,一方面节省大量工序而节约制造成本,另一方面节约大量原材料而提高材料利用率;(2)敏捷成形,成形速率快,提高实际生产效率;无须模具,在前期产品设计阶段可以随时根据设计好的成品来调试,从而实现设计快速迭代而缩减反复开模所耗费的成本及时间;(3)自由成形,通过逐层制造摆脱模具限制,提高设计自由度和制造灵活度,可以实现高度复杂结构制造,提高产品的个性化程度㊂03Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展2.2 金属增材制造技术分类目前金属直接增材制造技术可大致分为直接能量沉积技术(d i r e c t e n e r g y d e po s i t i o n ,D E D )和粉末床熔融技术(p o w d e r b e d f u s i o n ,P B F )㊂其中,D E D 又可分为激光熔融沉积(l a s e rm e l t i n g d e p o s i t i o n ,L M D )和电弧增材制造(w i r e a r c a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e ,W A A M ),P B F 又可分为选区激光熔融(s e l e c t e d l a s e rm e l t i n g ,S L M )和电子束选区熔融(e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g,E B S M )㊂表1为各类增材制造技术及其特点[10]㊂D E D 适用于大体积零件制造,其中L M D 更适用于材料-结构-性能一体化制造,而W A A M 具有低成本的特点;P B F 则更适用于小尺寸精密零件制造,其中S L M 制造的零件精度更高㊁表面质量更好,而E B S M 制造产生的残余应力更低㊂因此,研究人员可以根据金属零件的用途选择合适的增材制造技术,利用合适的金属粉末或丝材制造出金属零件成品或半成品㊂表1 各类增材制造技术及其特点[10]T a b l e 1 D i f f e r e n t a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n i qu e s a n d f e a t u r e s [10]A d d i t i v em a n u f a c t u r i n g R a w m a t e r i a lE n e r g y s o u r c eF e a t u r eD E D L M D M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g he f f i c i e n c y f o rm a n u f a c t u r i n g ;h i g h f l e x i b i l i t y;s u i t a b l e f o r l a r g e -v o l u m e p a r t s ;s u i t a b l e f o rm u l t i p l em a t e r i a l sm i x i n gWA AMM e t a lw i r e L a s e r b e a m H i g hm a t e r i a l a v a i l a b i l i t y ;l o w p r o d u c t i o nc o s t ;s u i t a b l e f o r l a r ge -v o l u m e p a r t s P B F S L M M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g ha c c u r a c y ;s u i t a b l ef o r h igh l y c o m p l e x p a r t s ;hi gh s u r f a c e q u a l i t y ;lo wl a s e r p o w e r E B S MM e t a l p o w d e rE l e c t r o nb e a mL o wr e s i d u a l s t r e s s ;h i g he f f i c i e n c y fo r t h e d e f l e c t a b l e e l e c t r o n b e a m3 增材制造中高强铝合金的缺陷目前,增材制造中高强铝合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战[11-13]㊂一方面,在激光/电子束增材制造过程中会引入很大的温度梯度(约106K/m )和凝固速率(约10-2m /s)[14],这将导致极高的冷却速率|̇T |(约104K /s ),因此容易形成柱状晶晶粒形貌[15-16],如图1所示[15];另一方面,由于中高强铝合金的某些本征性质,通过增材制造技术制备时容易形成各类缺陷而损害其性能㊂目前可用于增材制造的铝合金还局限于近共晶成分铝合金,如A l S i 10M g[17-18],A l S i 12[19-21],A l S i 7M g 0.3(A 356)[22-23],A l -10C e [11]和图1 合金凝固过程中的凝固速率㊁温度梯度和晶粒形貌之间的关系[15]F i g .1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o l i d i f i c a t i o n r a t e ,t e m pe r a t u r e g r a d i e n t a n dm i c r o s t r u c t u r e d u r i n g a l l o y so l i d i f i c a t i o n [15]A l -N i [24]合金等㊂3.1 热裂纹铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性,其中以凝固裂纹问题最为严重㊂热裂纹往往会沿着粗大柱状晶之间的晶界开裂,并贯穿于多层打印层之间,严重损害其机械强度㊁疲劳寿命和断裂韧度㊂铝合金极高的热裂纹倾向性主要与本征性质有关㊂(1)热导率较高[25]㊂在增材制造很高的加工温度下,铝合金凝固时很难获得足够的过冷度,因此凝固形核率低,普遍形成柱状晶的微观结构㊂(2)激光反射率高[26]㊂对于波长为1064n m 的激光吸收率仅为5%~15%,为了使铝合金粉末充分熔化凝固,需要提高增材制造过程中的激光功率[27],故加工过程中的温度梯度和冷却速率进一步提高,形成的柱状晶较其他材料而言也更为粗大㊂(3)中高强铝合金的凝固温度范围普遍较大(固/液相线距离远)[28]㊂如7075铝合金的凝固范围为Δ170K (如图2(a )橙色线所示),而A l S i 10M g 合金的凝固范围仅为Δ30K (如图2(a )蓝色线所示)[29]㊂因此,不同于A l S i 10M g 中的短小枝晶,中高强铝合金凝固时有较长时间处于液固共存状态(糊状区),在缺少形核位点的情况下进而形成枝晶和枝晶间液体长通道(图2(b ))[29],这将导致:①枝晶内和枝晶间在凝固过程中的凝固程度不同,易引入热应力而促进热裂纹萌生[30-31];②糊状区的枝晶网络错综复杂,阻碍液体向体13Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图2增材制造铝合金的凝固行为[29](a)凝固曲线;(b)不同凝固温度区间下的凝固机理图F i g.2 S o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d a l u m i n i u ma l l o y s[29] (a)s o l i d i f i c a t i o n c u r v e s;(b)s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f s o l i d i f i c a t i o nu n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e r a n g e s积收缩区域流动,导致中高强铝合金的流动性差,难以弥补体积收缩区域的体积变化,从而促进热裂纹萌生[28,32]㊂(4)合金在激光增材制造凝固过程中温度梯度极大,易引入大量热应力[33-34],再加上中高强铝合金的热膨胀系数大[27],凝固时体积收缩明显,极易在柱状晶薄弱晶界处形成热裂纹(凝固裂纹)[35],且由于柱状晶较为粗大,热裂纹往往会存在于数层打印层之间㊂(5)合金元素在增材制造快速凝固过程中来不及充分扩散,易在能量㊁结构㊁成分起伏较大的晶界处富集[29]㊂因此,当铝合金完全凝固后,在柱状晶间的晶界处会形成大量脆性金属间化合物,在逐层累积的热应力作用下容易作为热裂纹萌生源而发生开裂(液化裂纹)㊂3.2孔洞孔洞的存在也会降低材料的致密度而损害其性能㊂中高强铝合金在增材制造过程中易形成匙孔㊁气孔和未熔合缺陷(图3)㊂孔洞特征和形成原因为:(1)匙孔:大型不规则孔洞(图3(a))㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素沸点较低,分别为1107ħ和907ħ㊂在较高激光能量作用下易发生选择性蒸发,产生朝向熔池底部的㊁大于液态金属表面张力的反冲压力,形成轮廓凹凸不平㊁内部空腔的匙孔㊂(2)气孔:球形孔洞(图3(b))是增材制造金属中最普遍的孔洞类型㊂铝合金粉末的吸湿度较高[36-37],水分子在高激光功率的作用下形成氢气,而氢气在液态㊁固态铝合金中的溶解度变化极大,分别为0.65 m L/100g和0.034m L/100g[6,38],即在铝合金凝固时氢气的溶解度降低近100%㊂但是,铝合金在3D打印过程中的凝固速率极快,这部分多余的氢气来不及充分扩散而被困在固态铝合金中,最终形成氢孔㊂(3)未熔合缺陷:小型不规则孔洞(图3(c))㊂铝合金粉末的激光反射率高,导致激光熔融过程中用于熔化合金粉末颗粒的激光能量不足,使相邻层之间的熔融重叠不充分,从而导致相邻层间形成未熔合孔洞㊂图3各类孔洞尺寸示意图(a)匙孔;(b)气孔;(c)未熔合缺陷F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m s o f d i f f e r e n t p o r o s i t i e s(a)k e y h o l e;(b)g a s p o r e;(c)l a c ko f f u s i o nd e f e c t23Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展此外,铝合金粉末的流动性较差[39-40],难以连续㊁稳定地送入熔池中,再加上铝合金粉末颗粒表面易形成合金氧化物,均导致铝合金粉末颗粒与基材接触不良㊂基于最小表面能原理,液态金属在表面张力的作用下可能会收缩为球形,这种球化作用同样会使铝合金形成未熔合缺陷㊂3.3元素挥发增材制造过程中的激光能量较高,若合金中某些元素的沸点低于合金母材沸点,则可能会发生选择性蒸发㊂表2为S L M增材制造铝合金的化学成分㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素在较高激光功率熔融时易挥发[25],合金成分易发生波动而引起成分变化,这表2S L M增材制造铝合金的化学成分(质量分数/%)T a b l e2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y s(m a s s f r a c t i o n/%)A l l o y A l l o y s t a t e Z n M g N i M n C u F e C r S i T i A l A A2017A l l o yp o w d e r0.210.720.0090.5704.000.400.0160.5600.051B a lP r o t o t y p i n gp a r t0.070.480.0130.6103.900.500.0350.5800.031B a l A A7020A l l o yp o w d e r4.301.300.0060.2900.100.290.1300.0770.025B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.001.000.0090.3000.170.310.1400.1300.024B a l A A7075A l l o yp o w d e r5.802.600.0070.0541.400.250.1800.0810.034B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.902.100.0070.0571.500.270.2000.1100.036B a l将改变材料的凝固组织㊁力学性能和耐腐蚀性等㊂3.4氧化现象由于氧化铝的热力学稳定性较高,铝合金粉末表面极易产生氧化膜㊂尽管增材制造过程中不断充入惰性气体,但真空腔室中仍会有0.1%~0.2%的氧气残留,这导致在逐层打印过程中会发生氧化现象[9]㊂一方面,增材制造过程中的氧化现象会显著降低增材制造铝合金的零件质量;另一方面,打印层之间的氧化会导致下一打印层中的合金粉末颗粒团聚,使粉末分布不均匀,严重损害零件的结构完整性和精度㊂因此,抑制氧化膜的形成不仅可以提高增材制造铝合金零件的质量,还可以有效改善其力学性能㊂4增材制造中高强铝合金的研究进展研究表明,增材制造金属零件中普遍存在孔洞缺陷[41]㊂这种缺陷是难以避免的,即使后续进行热处理(如应力释放㊁退火和热等静压等)和表面处理(如机械/电解抛光㊁喷丸处理和振动磨削等)也很难将其完全消除[42-44]㊂然而,增材制造金属零件中的热裂纹是可以消除的㊂4.1优化工艺参数优化工艺参数[28,45-46],是通过调控合金凝固时的冷却速度和温度梯度,控制柱状晶的生长,减少热应力的逐层累积,最终达到消除增材制造中高强铝合金零件中的热裂纹的目的㊂增材制造常规的工艺参数主要包括激光功率㊁扫描速度㊁扫描策略㊁激光移动间距㊁层厚和束斑直径等㊂L M D增材制造工艺参数还包括送粉速率㊂目前研究大多通过调控激光功率和扫描速度这2个工艺参数来抑制热裂纹的形成㊂C a i a z z o等[47]采用L M D制备2024铝合金零件,研究发现在送粉速率为3g/m i n㊁束斑直径为3m m 下,激光功率为2.5k W㊁扫描速度为420m m/m i n是最佳的工艺参数,此时零件的几何稳定性最好㊁表面质量最佳㊂Z h a n g等[13]采取S L M制备A l-C u-M g(成分近2024)铝合金,研究发现通过调控扫描速度和激光间隔距离,将激光能量密度提高至340J/m m3以上可以保证零件致密度并消除其中的热裂纹,其原始态抗拉强度可达402M P a㊂D e n g等[48]采用S L M制备2124铝合金零件,研究发现使用中空结构的栅栏支架可以有效释放热应力,从而抑制热裂纹形成㊂激光功率为150W㊁扫描速度为100m m/s时的零件致密度最高㊁力学性能最佳,原始态抗拉强度可达301M P a㊂O k o等[49]采用S L M制备7075铝合金零件,研究发现适当提高激光功率㊁降低扫描速度和激光移动距离可以有效提高零件致密度和硬度㊂此外,研究人员发现当采用P B F增材制造金属零件时,粉末床温度也可作为工艺参数变量进行调控,从而减弱热应力的累积而抑制热裂纹萌生㊂K e n e v i s i 等[50]采用E B S M制备2024铝合金零件,研究发现在将粉末床温度固定为350ħ的基础上,通过调控扫描速度将输入能量密度控制在43J/m m3时的零件致密度最高㊁力学性能更佳,原始态抗拉强度可达314M P a㊂U d d i n等[45,51]采用S L M制备6061铝合金零件,研究发现将粉末床温度从室温提高至500ħ可以有效抑制热裂纹形成,但其力学性能仍远低于铸造6061铝合金(硬度54H V,屈服强度60M P a,抗拉强度130M P a,33Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月均匀伸长率15%)㊂M a a m o u n 等[52]采用S L M 制备6061铝合金零件,在将粉末床温度固定为200ħ的基础上,研究发现在激光功率为370W ㊁扫描速度为1000m m /s ㊁激光间隔距离为0.19m m (能量密度为47.2J /m m 3)时的热裂纹尺寸最小㊁数量最少,此时抗拉强度达最大值为184M P a ㊂然而,K a u f m a n n 等[12]采用S L M 制备7075铝合金零件时,研究发现将粉末床温度提高至200ħ并不能有效抑制热裂纹的形成㊂4.2 优化合金成分优化合金成分可以通过调控合金中S i ,N i 等元素的含量,提高共晶相的含量,并缩小合金凝固时的温度范围,从而改善合金的流动性并抑制合金的热膨胀;也可以通过调控合金中Z r ,S c 等元素的含量,提高铝合金凝固时的成分过冷度,从而提高凝固形核率而细化晶粒形貌,最终达到抑制热裂纹的萌生㊂M o n t e r o -s i s t i a ga 等[53]和O t a n i 等[54-55]均采取S L M 制备7075铝合金零件,研究发现提高合金中S i元素的含量可以使原粗大柱状晶明显细化,解决了热裂纹问题(图4(a )~(d)[53]),其原始态抗拉强度可达537M P a ,伸长率9.7%㊂L i 等[56]采用S L M 制备7075铝合金零件,研究发现引入S i 和Z r 元素可以促使形成等轴-柱状双晶粒结构(图4(e )),有效抑制热裂纹的产生,在激光功率为300W 时可达到最佳力学性能,原始态屈服强度为397M P a ,抗拉强度为446M P a ,伸长率为6.5%㊂在采用S L M 制备6061铝合金零件方面,M e h t a等[57]通过气雾化制备了6061-0.01Z r 铝合金粉末,C a r l u c c i o 等[58]和Q b a u 等[59]制备了6061-S c 铝合金粉末㊂研究发现,引入Z r 或S c 元素可以细化粗大柱状晶,并在熔池边界处形成等轴晶(图4(f ),(g)[57]),有效抑制热裂纹的萌生和外延生长,显著改善S L M 增材制造6061铝合金的力学性能,其中6061-0.01Z r的原始态抗拉强度为268M P a ,伸长率为26.5%㊂图4 7075(a )和7075-4S i (b )的OM 图[53],7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]和6061-0.01Z r (g)[57]的E B S D 图F i g .4 OMi m a g e s o f 7075(a )a n d 7075-4S i (b )[53],E B S D i m a ge s of 7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]a n d 6061-0.01Z r (g)[57]4.3 添加形核剂添加形核剂引入异质形核位点可以促进柱状晶向等轴晶转变,利用等轴晶粒比柱状晶更易旋转和变形㊁更能承受高热应力的特点而减弱热裂纹倾向性,并削弱成品零件的各向异性㊂目前研究普遍采用在中高强铝合金粉末中引入含Z r ,S c 或T i 元素的形核剂,从而增加形核位点㊂4.3.1 添加含Z r /S c 元素的形核剂M a r t i n 等[29]采用S L M 制备6061和7075铝合金零件时,通过在铝合金粉末中加入Z r H 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶晶粒形貌,基本消除热裂纹(图5(a )~(d ))㊂O p pr e c h t 等[46,60]采取S L M 制备6061铝合金零件,并通过加入2%(体积分数)的Y S Z 粉末(94.3Z r O 2-3.6Y 2O 3-1.7H f O 2-0.4A l 2O 3)形成明显的等轴-柱状双晶粒结构,此时等轴晶区域面积足够大,可以完全消除其中的热裂纹(图5(e ),(f))[46]㊂通过透射电子显微镜和X 射线衍射分析,O p pr e c h t 认为在激光作用下Y S Z 颗粒首先熔化或发生其他化学反应,释放出大量Z r 原子,在随后的凝固过程中以A l 3Z r 第二相的形式在熔池边界处析出,为α-A l 的凝固提供大量形核位点,从而促使在熔池边界处形成等轴晶㊂43Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展图5 S L M 增材制造7075(a )和7075/Z r H 2(b )的S E M 图[29],7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46]的E B S D 图,以及6061-2%Y S Z (f)的OM 图[46]F i g .5 S E Mi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d 7075(a )a n d 7075/Z r H 2(b )[29],E B S D i m a g e s o f 7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46],a n dOMi m a g e of 6061-2%Y S Z (f )[46]4.3.2 添加含T i 元素的形核剂T a n 等[61]采用S L M 制备2024铝合金零件,并通过在2024铝合金粉末中加入纯T i 纳米颗粒,成功将粗大柱状晶转变为细小等轴晶(图6(a )~(d )),并完全消除热裂纹,其T 6态的屈服强度为286M P a ,抗拉强度为432M P a ,伸长率为10%㊂C a r l u c c i o 等[58]采用S L M 制备6061铝合金零件,并通过在6061铝合金粉末中添加T i B o r细化剂,成功将粗大柱状晶完全转变为等轴晶㊂L e i 等[62]和J i a n g 等[63]采用LM D 制备7075铝合金零件,并通过加入4%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶(图6(e ),(f))[62],其平均晶粒尺寸降低至16.8μm ,硬度提高至128H V ㊂C h e n 等[64]采用L M D 制备2024铝合金零件,并通过加入0.5%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶,其平均晶粒尺寸从431μm 降低至114μm ㊂W a n g 等[65]采用S L M 制备A l -3.5C u -1.5M g-1S i (成分近2024)铝合金零件,研究发现加入5%(体积分数)的T i B 2形核剂粉末可以产生明显的晶粒细化效果,其原始态平均晶粒尺寸从23μm 降低至2.5μm ,原始态屈服强度从157M P a 提高至191M P a㊂5 结束语增材制造常规的工艺参数可分为能量相关工艺参数和几何相关工艺参数㊂能量相关工艺参数包括激光功率㊁扫描速度㊁束斑直径等,与金属粉末颗粒的逐点熔化有关,主要保证提供连续的能量输入;而几何相关工艺参数包括激光间隔距离㊁层厚㊁扫描方式等,体现了各扫描轨道和各层的熔融制造存在一定间隔㊂由于增材制造逐点㊁逐道次㊁逐层的制造特点,故在制造过程中存在本征的层间停留时间等非常规工艺参数,这些增材制造工艺参数也会对成品零件的微观结构和力学性能产生显著影响㊂合金成分决定了溶质原子的分布情况和扩散过程,而溶质原子是产生成分过冷的根本原因,因此合金成分对晶粒形貌有着决定性作用㊂在增材制造中高强铝合金时,可以通过调控合金元素含量而优化合金成分,也可以通过添加形核剂而引入异质形核位点,二者都可以用于改善增材制造中高强铝合金的微观组织并提高其力学性能㊂总而言之,工艺参数和合金成分是影响增材制造中高强铝合金的微观结构和力学性能的两个关键性因素,二者相互影响㊁相互依存,均通过控制热作用和溶质再分配作用而影响增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂然而,当前有关增材制造中高强铝合金的研究中,针对工艺参数和合金成分的优化探索较为分裂,在未来,需要将二者相结合㊁相配合,以综合改善增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂53Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图6S L M增材制造2024(a)和2024-T i(b)OM图[61],S L M增材制造2024(c)[61]和2024-T i(d)[61],L M D增材制造7075(e)[62]和7075-4T i B2(f)[62]的E B S D图F i g.6 OMi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(a)a n d2024-T i(b)[61],E B S D i m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(c)[61]a n d2024-T i(d)[61],L M Da d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d7075(e)[62]a n d7075-4T i B2(f)[62]值得注意的是,增材制造铝合金时M g,Z n等元素的挥发会使合金成分发生波动,在通过调控合金元素含量或添加形核剂而优化晶粒形貌的研究中,合金成分更是发生明显改变㊂此时,适用于传统铝合金的热处理方法已不再适用于增材制造铝合金,因此,未来需要进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂参考文献[1] D A V I S JR.A l u m i n u ma n d a l u m i n u ma l l o y s[M].R u s s e l l,U S A:A S Mi n t e r n a t i o n a l,1993:352-356.[2] N A K A IM,E T O T.N e wa s p e c t o f d e v e l o p m e n t o f h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y s f o r a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2000,285(1/2):62-68.[3]谢水生,刘静安,徐骏,等.简明铝合金加工手册[M].北京:冶金工业出版社,2016:36-40.X I ESS,L I UJA,X UJ,e t a l.C o n c i s em a n u a l f o r a l u m i n u ma l l o y p r o c e s s i n g[M].B e i j i n g:M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s,2016:36-40.[4] M C Q U E E N HJ,S P I G A R E L L I S,K A S S N E R M E,e t a l.H o t d e-f o r m a t i o na n d p r o c e s s i ng o fa l u m i n u m a l l o y s[M].B o c aR a t o n,F l o r i d a,U S A:C R CP r e s s,2011:25-52.[5] S A C H SE,C I MA M,W I L L I AM S P,e ta l.T h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g:r a p i d t o o l i n g a n d p r o t o t y p e s d i r e c t l y f r o maC A D m o d e l [J].J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g f o r I n d u s t r y,1992,114(4):481-488.[6] B O E I R A A P,F E R R E I R AIL,G A R C I A A.A l l o y c o m p o s i t i o na n dm e t a l/m o l dh e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y a f f e c t i n g i n v e r s e s e g r e g a-t i o na n d p o r o s i t y o f a s-c a s tA l-C u a l l o y s[J].M a t e r i a l s&D e s i g n, 2009,30(6):2090-2098.[7] B R A N D LE,H E C K E N B E R G E RU,H O L Z I N G E RV,e t a l.A d d i-t i v em a n u f a c t u r e dA l S i10M g s a m p l e s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g (S L M):m i c r o s t r u c t u r e,h i g hc y c l e f a t i g u e,a n df r a c t u r eb e h a v i o r [J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2012,34:159-169.[8] D E B R O Y T,W E IH,Z U B A C KJ,e ta l.A d d i t i v em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c c o m p o n e n t s-p r o c e s s,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s[J].P r o-g r e s s i n M a t e r i a l s S c i e n c e,2018,92:112-224.[9] A B O U L K H A I R N T,S I M O N E L L I M,P A R R Y L,e ta l.3Dp r i n t i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s:a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].P r o g r e s s i n M a t e r i a l sS c i-e n c e,2019,106:100578.[10] G U D,S H IX,P O P R AW E R,e ta l.M a t e r i a l-s t r u c t u r e-p e r-f o r m a n c e i n t eg r a t e d l a s e r-m e t a l a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g[J].S c i-e n c e,2021,372(6545):932.[11] Z H O U L,HU Y N H T,P A R KS,e t a l.L a s e r p o w d e rb e d f u s i o no fA l-10w t%C e a l l o y s:m i c r o s t r u c t u r e a n d t e n s i l e p r o p e r t y[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,2020,55(29):14611-14625.[12] K A U F MA N N N,I M R A N M,W I S C H E R O P PT M,e t a l.I n f l u-e n c eof p r o c e s s p a r a m e t e r s o n t h e q u a l i t y o f a l u m i n i u ma l l o y E NAW7075u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g(S L M)[J].P h y s i c sP r o-c ed i a,2016,83:918-926.[13] Z H A N G H,Z HU H,Q IT,e t a l.S e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g o f h i g hs t r e n g t h A l-C u-M g a l l o y s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r ea n d m e-c h a n i c a l p r o p e r t i e s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2016,656:47-54.[14] H O O P E RPA.M e l t p o o l t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g r a t e s i n l a s e r63Copyright©博看网. 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铝合金的研究现状及应用
铝合金的研究现状及应用近几十年来，随着人们对各种金属材料的发展，铝合金的研究也取得了显著的进展。
它具有轻质、高强度的特点，在航空航天、交通工具、军事装备、建筑工程、机械制造等诸多领域都有着广泛的应用。
本文将对铝合金的研究现状及其在不同领域中的应用进行综述。
首先，介绍铝合金的研究现状。
近几十年来，各国专家学者深入研究铝合金的成分、性能和加工技术，铝合金的科学性、实用性和性能发挥率也有了较大提高。
研究表明，采用现代化的熔融炼铝法和机械加工工艺，可以大大提高铝合金的性能和使用寿命，使铝合金的应用范围更加广泛。
其次，介绍铝合金在不同领域的应用。
在航空航天领域，铝合金具有较高的力学性能、延展性和形状记忆性，可以用于飞机机身内壁和机翼的制造。
在交通工具领域，铝合金用于汽车骨架、车身、发动机等部件的制造，具有轻量、耐蚀、防松性能等特点，为汽车的结构设计提供了新的选择。
在军事装备领域，铝合金用于防护装置、装甲板及火炮的制造，确保了武器的可靠性和耐久性。
在机械制造领域，铝合金用于制造活塞、泵体、齿轮等部件，具有高强度、轻质、热稳定性和抗腐蚀性等优点，使机械设备性能受益。
最后，总结一下铝合金的研究，由于铝合金具有轻质、高强度、高热稳定性等优点，已经成为各大工程领域的重要材料，在航空航天、交通工具、军事装备、建筑工程和机械制造等领域得到广泛应用。
然而，由于铝合金的加工和后处理技术仍然相对落后，性能的发挥空间也有待进一步提高。
因此，有必要继续加强铝合金的研究，提高铝合金的性能、加工工艺和后处理技术，在未来的应用中发挥更大的作用。
综上所述，铝合金的研究在近几十年中取得了重大进展，它已成为工业领域中不可缺少的重要材料，在航空航天、交通工具、军事装备、建筑工程和机械制造等领域中都有着广泛的应用，但是仍有大量的潜力可以挖掘。
因此，有必要加强对铝合金的研究，探索出更适合不同领域应用的合金配方、加工技术及后处理技术，促进铝合金的进一步发展和应用。
铝合金材料在航空航天领域中的应用研究
铝合金材料在航空航天领域中的应用研究航空航天领域一直是世界科技发展的前沿领域，需要运用先进技术与材料来保障航空器在危机中的性能、重量和安全。
铝合金材料作为一种轻量、高强度和耐腐蚀性能优良的材料，在航空航天领域中得到了广泛应用。
本文将介绍铝合金材料在航空航天领域中的应用研究，包括其特性、制备技术、以及正在研究的前沿。
一、铝合金材料的特性铝合金材料是以铝为主要成分的合金，其中掺杂了其他元素，如铜、镁、锌等。
它的密度远低于其他金属，如钢和钛合金，同时其强度也比这些材料高。
由于其特殊的性能，铝合金材料被广泛应用于航空航天领域的制造中，如航空器中的机身、翼、发动机部件等。
此外，铝合金材料还具有优良的可成型性和耐腐蚀性，可以满足飞行器制造中的高要求。
二、铝合金材料的制备技术铝合金材料的制备技术主要包括熔炼、挤压、锻造、粉末冶金、等离子喷涂等。
其中，薄板及粉末冶金材料制备技术因其能够满足生产成本和良好的变形性能而被广泛运用于航空航天领域中。
在薄板制备中，薄板的厚度通常在0.2mm到6mm之间，其制备方法一般包括顶轧、轧制和挤压等。
具体来说，顶轧方法将铝板材与另一种金属薄片经过热轧以制备出一个复合材料。
而轧制方法以金属拉伸、挤压和弯曲等方式来获得所需厚度的铝板。
最后，挤压方法可以通过同时应用高温和高压来将铝同其他合金化材料复合在一起以制备出铝板材，这种方法应用广泛。
三、铝合金材料在航空航天领域的应用铝合金材料在航空航天领域的应用主要包括飞机机身、翼、起落架和发动机等部件。
在飞机机身方面，铝合金材料被用于制造大型铝合金蒙皮。
在这种情况下，将大型铝合金薄板用冲压成形的方法制成一个结构完整的飞机机身部件，以确保其强度和重量符合航空器设定的标准。
在翼部分，铝合金材料被用于制造高强度的结构组件，以确保它们在飞行中的危机中保持形状和轮廓。
铝合金材料在发动机和航空电子中也有广泛的应用，以确保它们在不同的工作条件下保持其需要的性能。
关于铝合金研究报告
关于铝合金研究报告铝合金研究报告一、引言铝合金是一种广泛应用于航空航天、汽车制造、机械设备等领域的轻质高强度材料。
本报告旨在对铝合金的研究进行总结和分析，以了解其性能、特点和应用。
二、铝合金的性能和特点1. 轻质高强度：铝合金具有较低的密度和较高的强度，比重较小，可以减轻设备负荷，提高使用效率。
2. 耐腐蚀性：铝合金具有良好的耐腐蚀性能，能够在大气中形成致密的氧化膜，从而减少与外界环境的接触，延长使用寿命。
3. 可加工性好：铝合金可以通过各种加工方式制造成型，如压铸、挤压、锻造等，能够满足不同产品的需求。
4. 导热性好：铝合金具有良好的导热性能，能够迅速散热，提高设备的使用效率。
5. 可回收性：铝合金可以进行循环利用，不仅能够减少资源的浪费，还对环境保护具有积极意义。
三、铝合金的应用领域1. 航空航天领域：铝合金是航空航天领域常用的材料之一，可以用于飞机机身、发动机部件等制造。
2. 汽车制造：铝合金可以用于汽车车身、发动机、悬挂系统等制造，可以减轻车辆整体重量，提高燃油效率。
3. 机械设备：铝合金可以用于制造各种机械设备，如钳工工具、压力容器等。
4. 电子及电器领域：铝合金可以应用于电子产业的散热件、电池外壳等制造。
5. 建筑领域：铝合金可以用于制造建筑材料，如窗框、门窗等。
四、铝合金的研究进展1. 新型铝合金的开发：近年来，研究者们不断努力开发新型铝合金，以提高其性能和应用广泛性。
如添加微量的稀土元素可以提高铝合金的强度和耐腐蚀性，添加纳米颗粒可以改善导热性能等。
2. 优化铝合金的制造工艺：研究者们通过改进铝合金的制造工艺，如精炼冶炼工艺、热处理工艺等，可以使铝合金的性能得到进一步提升。
3. 铝合金的表面处理技术：研究者们通过改进铝合金的表面处理技术，如阳极氧化、电泳涂装等，可以增加铝合金的耐腐蚀性和装饰性。
4. 铝合金的可持续发展研究：研究者们关注铝合金的可持续发展，通过提高铝合金的回收率、降低能耗等，减少其对环境的影响。
先进铝基复合材料研究的新进展
先进铝基复合材料研究的新进展随着科技的快速发展，先进材料的研究与应用越来越受到人们的。
其中，先进铝基复合材料作为一种具有优异性能和广阔应用前景的材料，成为了科研人员和工业界的研究热点。
本文将介绍先进铝基复合材料研究的新进展，包括材料选择、研究方法、研究成果以及未来发展方向等方面。
先进铝基复合材料的研究具有重要意义，它不仅可以提高材料的综合性能，还能满足各种复杂和严苛的应用环境。
特别是在航空、航天、汽车和电子等领域，先进铝基复合材料的需求日益增长，这促使科研人员不断深入研究和探索。
在选择先进铝基复合材料时，需综合考虑材料的性能、成本、制备工艺等因素。
铝基体具有优异的加工性能和良好的导热、导电性能，但其强度和硬度相对较低。
因此，通过添加增强体可以有效地提高铝基复合材料的综合性能。
常见的增强体包括陶瓷颗粒、碳纤维、金属氧化物等。
在选择材料时，需要根据实际应用需求来选择适当的增强体和制备工艺。
先进铝基复合材料的研究方法包括实验设计、工艺优化、材料性能测试等。
实验设计是通过调整材料的组成、结构和制备工艺等因素，优化材料的性能。
工艺优化是通过改进制备工艺，提高材料的制备效率和质量。
材料性能测试是对制备好的材料进行各种性能测试，包括力学、物理和化学性能等。
经过科研人员的不懈努力，先进铝基复合材料的研究取得了许多重要成果。
在制备工艺方面，成功开发出了多种低成本、高效的制备方法，如粉末冶金法、熔融搅拌法、原位合成法等。
这些制备方法不仅能够保证材料的质量和性能，还能降低制备成本，提高生产效率。
在性能特点方面，先进铝基复合材料具有优异的力学性能，如高强度、高硬度、良好的韧性和抗疲劳性等。
它们还具有优异的导电、导热、耐腐蚀和抗辐射等性能。
这些优良的性能使得先进铝基复合材料在各种复杂和严苛的应用环境中表现出色。
在应用前景方面，先进铝基复合材料在航空、航天、汽车、电子、能源等领域展现出了广阔的应用前景。
例如，在航空航天领域，先进铝基复合材料可以用于制造轻质高强度的结构件和功能件；在汽车领域，它们可以用于制造轻量化、高强度的零部件，从而提高汽车的动力性和燃油经济性；在电子领域，它们可以用于制造高效散热器、电路板等关键部件，从而提高电子设备的性能和可靠性。
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兵器材料科学与工程
系铝合金耐蚀性 、 机加工性 、 可焊性等特性 耐蚀性 应力 腐蚀 B C C B C B B C 冷加 工性 D D D D D D D D 焊接性 阳极氧化 机加 表面处理 氩弧 工性 气焊 点焊 能力 焊 B C C C C B B D B B B B B B B C D D D D D D D D D D D D D D D D B B B B B B B C
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第 25 卷
图1
熔铸装置
碳纤维增 T6 强 7075
内外均投入了大量的人力、 物力开展研究, 主要涉及 成分设计、 熔铸技术、 细晶化技术及热处理工艺研究 等, 以下叙述主要几方面的研究情况。 ( a) 耐腐蚀是以 A ! E 顺序递减 , A、 B 指能在工 业性大气或海洋气氛下不必保护使用, C、 D和E 则 应采取表面保护措施; ( b) 应力腐蚀基于 3. 5% NaCl 溶液中试验条件下得出的结论 , A 表示无破坏痕迹 , B 为少量破坏 , C 、 D 则表示明显应力破坏; ( c) A D 为冷加工性, A E 为机加 工性, A C 为阳极 氧化 表面处理特性递减顺序; ( d) A D 为焊接性优劣顺 序, A 为用一般工艺及方法均可焊 , B 为必用特定的 焊接工艺才能实施焊接, C 为焊接区强度损失大、 裂 纹敏感性大, D 为不可焊。 2. 1 熔体净化技术 首先对熔铸过程进行控制 , 除控制铸造速度外 , 熔体净化是很重要的因素。传统熔体净化方法有两 种, 一是采用高纯度的工业原料 , 减少 Fe 、 Si 金属间 化合物含量, 以提 高合金的断裂韧 性和疲劳强度。 该方法有效但成本高。二是先将杂质转变为复合化 合物 , 然后再将化合物分离、 去除。但往往带来铝液 的大量消耗。目前的研究重点主要是在熔铸设备或 除气除渣工艺上作改进, 使铸锭质量提高, 即先用少 量的碱土金属加至铝或铝合金熔体中, 形成杂质的 金属间化合物和碱土金属氧化物 , 尔后采用卤化工 艺分离。有人[ 7] 采用图 1 所示装置对 5 系铝 合金进行熔铸, 未经净化处理及经以上净化技术处 理后熔体中复合化合物除去率对比如图 2 所示 , 经 净化处理后铸件夹杂或有害相将大幅减少。 2. 2 组织控制技术 组织决定材料性能, 对组织的控制又包括两方 面: 一是原始铸锭组织, 二是热处理制度的影响。 3. 2. 1 铸锭组织对性能的影响 铸锭晶粒细且均匀, 则铸件的综合性能好。传 统的细化晶粒技术主要是加大冷却速度和添加形核 剂。形核剂主要有 T i、 B 等。目前有加入钪 ( Sc) 和 锆 ( Zr) , 使形成 Al3 Sc 或 Al3 ( Sc, Zr ) , 促进形核, 其 对铝合金组织和性能 的影响十分明 显[ 8] 。另外铸 造工艺及成分设计对性能的影响是相当显著的。工 作[ 9~ 10] 对 Al - Ce- F e 合 金采用一定的 冷却速度 ( ∀150 # / s) 和铸模 , 使获得 铸件晶粒 小于 10 m 。 研究得出: 控制一定成分及熔铸工艺 , 使析出相呈团 状分布于 ! - Al 相周围。某些 !- Al 熔体晶粒位向 趋于一致 , 示意如图 3。析出相细小 , 均匀分布, 且 与基体 !- Al 相结合好 , 使 Al- Ce- Fe 合金强度及
[ 11, 12]
如采用 P/ M 工艺制备 Al- 10% T i- 2% Cu 合金和 Al- 10% T i- 2% Ni 合金 , 强度可达 800MP a 以上。 有人
[ 16]
用碳纤维增强 7075 铝合金复合材料 , 其室
温下强度值可达 900MPa 以上 , 对于这些特定性能 的铝合金材料主要用于飞机、 火箭等的某些特殊部 件。制备中相对传统方法一般成本高, 且制备材料 形状尺寸有限。但这些新工艺制备技术的改进弥补 了用传统工艺所无法达到的高性能。
关键词 : 铝合金 ; 力学性能 ; 组织 中图分类号 : T G146. 2 + 1
在许多工业应用及航空航天应用领域, 选择材 料最为重要的参数是轻质、 高强高韧。铝合金由于 具有密度低、 优良的力学性能等特点, 是这类材料理 想且应用最多的材料。为此, 各国材料工作者多年 来一直致力开发研究各种高性能铝合金, 取得了很 大成效 , 特别是在高强高韧铝合金开发研究上。本 文总结了国内外几十年来高性能铝合金的发展状况 和研究成果, 指出了目前存在的问题, 旨在为我国该 类材料的研究开发提供参考。
收稿日期 : 2001- 09- 26; 修订日期 : 2002- 01- 18
552 524 710 572 503 648 586 538 630 650 518 761 754 934
489 469 683 503 434 592 530 483 610 620 483 715 712 870
第 25 卷 2002 年
第 3期 5月
兵器材料科学与工程
O RD NA N CE M A TER IA L S CIENCE A ND EN G IN EERIN G
V ol. 25 M ay
No. 3 2002
高性能铝合金研究进展
罗兵辉, 柏振海
( 中南大学 材料系 , 长沙 410083) 摘 要 : 介绍了高强高韧铝合金的发展及研究现 状 , 评述了研究进展 , 指出了现存问题并展望了其发展趋势。 文献标识码 : A 文章编 号 : 1004 244X( 2002) 03 0059 04
b 0. 2 10 硬度 HB E / MPa / M Pa / % / 10 / 49 00/ GPaBiblioteka 1高强铝合金的发展
高强度铝合金主要是以 Al- Cu- Mg 系( 2 系 ) 和 Al- Zn- Mg- Cu 系 ( 7 系) 为主的合
金。2 系合金是发展最早的一种热处理强化 型合金。航空工业的发展 , 促进了该系合金的改进。 二十世纪 20 年 代和 30 年代 相继 发展了 2014 和 2024 合金 , 随后又发展了 2618 合金。这个系的合 金发展较为成熟, 已先后定型了十几个牌号。更为 广泛应用的 7 系合金是二十世纪 60 年代国 际上以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类 高强高韧铝合金材料。长期以来广泛用于各种飞机 机身、 机翼梁、 机舱壁板、 飞机和火箭中高强度结构 零件等的制造, 是世界各国航空航天工业中不可缺 少的重要材料 [ 1] 。目前全世界 已开发了数十 种不 同成分标准牌号的 7 系铝合金产品, 相应的 合金热处理标准工艺更达数百种之多。 但是高强铝合金的广泛应用往往由于 其低韧 性、 应力腐蚀、 剥落腐蚀等性能缺陷而受到限制 , 在 少牺牲甚至不牺牲强度条件下提高材料韧性、 应力 腐蚀等性能是一个重要研究课题。其有效的技术是 通过各种途径控制材料的微观结构 , 为此许多材料
表1 材料 名称 7050 7068 7075 部分 7 制 备 工艺 铸造 + 热挤压 + T 76 + T 74 + T6 + T 73 + T6 7149 铸造 + 热锻造 + T 74 + T 76 7055 铸造 + 热轧 + T 77 7033 B* 96 横向 纵向 + T6 + T 71 系高强铝合金力学性能
图 3 A l- Ce- F e 合金铸态组织示意图 图2 净化处理与否熔体中复合化合物除去率 No . 1 为未经净化处理熔体 No . 2 为经净化处理熔体
第 3期
罗兵辉等 : 高性能铝合金研究进展
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韧性分别提高 50% 和 38% 。 2. 2. 2 热处理制度对性能的影响 高强高韧铝合金的强度、 韧性和 SCC 敏感性等 受热处理条件的影响特别显著。对于目前广泛应用 的高强 Al- Zn- M g- Cu 系铝合金 , 其基体沉淀相 , 晶界沉淀相和无析出带宽度的特性 , 基本上决定了 合金的性能。而贯穿在整个固溶处理、 淬火和时效 过程的热处理就是通过最佳工艺参数的选择, 以达 到三个组织参数间的良好配合 , 使合金具有最佳的 综合性能。不过迄今为止, 决定合金性能三个因素 怎么影响 7 系铝合金性能尚还在研究中。什 么样的基体沉淀相对强度贡献最大 , 何种基体沉淀 相能获得最佳的强韧性及抗应力腐蚀性能的配合 , 人们所持的观点是不同的。如果仅从强度的角度来 考虑沉淀相, 无论是何种质点作为强化相, 其体积分 数越大, 越弥散 , 强化效果就越好。若沉淀相质点的 强度较高 , 且分布均匀, 则必然对韧性及抗应力腐蚀 性能有利。对 于晶界沉淀相由 于其依赖于晶 界结 构, 目前尚不能定量描述某种晶界沉淀相作用 , 因为 即使同一种合金在相同的热处理制度下, 晶界沉淀 相的大小和形状也会因晶界不 同而出现较大 的差 异。但有一点是明确的。即连续网状分布的晶界沉 淀相对合金性能不利。无析出带宽度对性能影响更 是有更多不同观点