铜添加助力增材制造铝合金耐热性提升

来源： 特种铸造

采用选择性激光熔化(SLM)法制备AlSi10Cu4Mg合金，将预合金AlSi10Mg和单质Cu粉末混合，进行180 ℃×2 h时效，在200～400 ℃范围内测试SLMed和SLM时效试样的高温拉伸性能，并比较变形过程中的显微组织变化，深入探讨合金的强化和软化机理，为优化AlSi10Mg合金的高温力学性能提供参考。

选择性激光熔化(SLM)是一项重要的增材制造(AM)技术，近年来在生产具有优异力学性能的铝合金方面日益突出。亚共晶AlSi10Mg合金具有优异的耐腐蚀性、低热膨胀、高比强度等特点，广泛应用于航空航天、汽车等行业。因此，SLMed AlSi10Mg合金具有良好的室温成形性和力学性能。然而，高温下Si颗粒的粗化会对SLMed AlSi10Mg合金的力学性能产生负面影响，限制其使用于低温环境。因此，提高SLMed AlSi10Mg合金的耐热性对于扩大其在高温环境中的适用性至关重要。

由于铜(Cu)价格低廉，且易于通过沉淀硬化技术形成各种耐热纳米颗粒，成为改善铝合金高温性能的极具潜力的元素。已有报道证明通过SLM工艺制备Cu改性AlSi10Mg合金的可行性，但Cu添加对SLMed AlSi10Mg合金高温拉伸性能的影响鲜有报道，因此富Cu相和Si相在高温下的演化和协同机制及其对热变形行为的影响尚未明晰。

基于此，长春工业大学韩英教授团队开发了一种具有独特的共晶网格和纳米级Al-Cu析出相的组合的新型SLMed AlSi10Cu4Mg合金，通过评估合金的高温拉伸性能，系统地研究了组织演变与变形行为的关系。研究结果以题为“High-temperature tensile properties of Cu-modified AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting”发表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

时效处理后，Si纳米颗粒和富Cu相在基体中弥散分布。SLMed合金呈现出独特的共晶网络。200 ℃时，合金表现出优异的高温拉伸性能，抗拉强度为（327±2）MPa, 伸长率为（25.5±0.5）%；时效处理后，合金强度进一步提高，抗拉强度达（381±3）MPa。但随着温度的升高，两种合金的应变硬化现象逐渐减弱，SLM时效试样的强度增量逐渐减小，伸长率增量增大。



高体积分数Si纳米颗粒附近的异常位错积累促进了GNDs的发展，有助于200℃下的应变硬化。这种独特的非均质结构不仅增加了Si纳米颗粒附近位错滑移的临界分解剪应力，并成为高应力下有效和持续的位错源。由于Al2Cu相的亚稳定转变和Si纳米颗粒的析出，时效处理进一步提高了合金的强度。

SLMed合金的织构类型主要为Cube{001}< 100>、Copper{112}<111>和P{011}<211>。而在SLM时效合金中，S{123}<634>织构的含量显著增加，成为主导织构类型之一。在较高的温度下，Si纳米颗粒和θ’相粗化削弱强化效果。α-Al基体表现出连续动态再结晶的软化特性。时效处理加速了动态再结晶过程，导致伸长率增加。