摘要
激光粉末床熔融(Laserpowderbedfusion,L-PBF)技术作为金属增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术一种重要的成形手段，兼具可制备复杂结构且成形零件力学性能优异的特性，在航空、航天以及汽车领域具有广阔的应用前景。铝合金具有比强度高、耐腐蚀及导热性好等特点，近年来逐渐成为金属增材制造领域的研究热点。但当工作温度超过200℃时，铝合金力学性能会出现显著的下降，因此急需开发针对L-PBF技术的专用耐热铝合金。基于此，本文采用L-PBF技术制备了一种新型轻质高强耐热的Al-Si-Fe-Ni合金，针对该合金成形工艺特性、沉积态/热处理态的组织形貌以及室温/高温条件下的力学性能开展了相关研究，明晰了合金显微组织特征及演化行为并厘清了合金中多种强化机制的协同作用。本文主要研究结果如下: 1.通过L-PBF工艺参数的筛选及优化，得到了近致密成形(99.51％)的Al-Si-Fe-Ni合金试样。成形工艺参数为:激光功率为230W,扫描速率为1400mm/s,扫描间距为100μm,层厚为30μm，在该参数制备下的合金试样无明显缺陷且成形性优良。 2.L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni合金试样熔池内部为沿沉积方向生长的柱状α-Al枝晶，熔池边界为细小的等轴晶，合金具没有明显的择优取向。L-PBF成形沉积态试样宏观熔池呈鱼鳞状形貌，微观组织为网状分布的Al-Si共晶相，由于瞬时加热和快速冷却导致热循环作用的不同，熔池底部及边界呈现出三种不同的形貌，即细晶区、热影响区和粗晶区，熔池边界分布着大量的第二相粒子主要为Al0.5Fe3Si0.5和Al6(Mn，Fe)相。 3.L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni合金沉积态试样表现出良好的力学性能，显微硬度高达172HV,抗拉强度平均值为602.4±2MPa，屈服强度为363.1±3MPa，延伸率为6.9±0.2％。试样断口有着明显的断裂源和撕裂棱，表面平整且有河流状花样，断口高倍下可以观察到网状枝晶形貌及少量韧窝，断口为脆性断裂，表现出混合性断口形貌，优异的力学性能源于多种强化机制(固溶强化、第二相强化、晶界强化)的协同效应。 4.对L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni试样进行时效、固溶、固溶时效三类热处理，分析对比了不同热处理制度下物相变化、合金组织形貌及力学性能的变化，随后对180℃/2h、500℃/2h、500℃/2h+180℃/10h处理后的合金进行晶体学特征分析，选出最佳热处理工艺为500℃/2h+180℃/10h,热处理后的力学性能为:屈服强度234±3MPa;抗拉强度276±2MPa;断后延伸率17±0.3％,合金塑性具有较大的改善。 5.对L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni合金进行热重分析实验及热膨胀系数的测定，剩余质量分数最低时为99.85％,热膨胀系数最大时仅为2.54×10-5/K。试样在300℃以下时，熔池形貌保持良好，熔池边界可以观察到分布的热稳定相，试样在250℃、300℃、350℃、400℃时组织形貌及晶体学特征未有较大改变，该合金在高温下具有良好的热稳定性 6.对L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni合金高温力学性能进行测试，在200℃、250℃、300℃、350℃分别保温20min后抗拉强度分别为408±2MPa、341±1MPa、250±2MPa、190±1MPa,抗拉强度随温度升高而降低但仍保持良好的水平，延伸率分别为17.1±0.2％、17.7±0.3％、22.8±0.2％、12.4±0.1％，高温下试样为韧性断裂，断口附近存在大量轫窝。 7.对L-PBF成形Al-Si-Fe-Ni合金进行原位加热实验来观察合金微观组织及晶粒形貌变化，在200℃、250℃、300℃、350℃分别保温20min后观察，合金形貌、晶粒形貌与织构取并无明显变化，仅在350℃发生轻微枝晶溶解现象及柱状晶粗化行为。
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