激光增材制造6061 铝合金热处理及强韧机理
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发布时间：2024-10-06 08:05
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时间：2024-10-06 09:59
论文主要探讨激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术在制备6061铝合金时的热处理工艺及其对合金组织性能的影响。通过基板预热处理，成功制备无裂纹缺陷的打印试样。随后，对试样进行热处理，比较不同热处理工艺对合金性能的影响。
研究发现，合金在直接打印状态时，合金元素以过饱和固溶体形式存在于基体中，抗拉强度仅为249 MPa。通过固溶处理（Solution Treatment, ST）加人工时效（Aging Treatment, AT）及直接人工时效处理，合金力学性能显著提升。直接人工时效处理后，6061铝合金展现出良好的强度和塑性，抗拉强度和伸长率分别达到359 MPa和12.5%。ST+AT处理后，合金强度进一步提高至377 MPa，但伸长率略有降低。
论文还分析人工时效处理对合金微观结构的影响，发现AT处理促进细针状Mg2Si相在基体内弥散析出，析出强化效应提高了合金抗拉强度。通过X射线衍射（XRD）、透射电镜等技术，揭示合金强韧化机理。
在试验材料与方法部分，使用6061铝合金粉末作为材料，粒径分布为15～53 μm。试验前粉末经过160℃×6小时烘干处理。利用LPBF技术打印，配置400W的IPG光纤激光器及相关系统，打印区域尺寸为φ150mm，基板材料为5083铝合金板材，并进行调平处理。
热处理试验后，进行清理，并比较固溶处理后水淬加人工时效（ST+AT）与直接人工时效（AT）两种工艺对合金性能的影响。通过X射线衍射仪（XRD）和透射电镜分析合金物相和微观组织。硬度测试采用显微硬度计，拉伸性能测试在室温下进行。
实验结果与讨论部分，研究基板预热对6061铝合金成形质量的影响。无预热处理时，合金内部存在裂纹缺陷。采用400℃预热处理后，裂纹得到消除，成形质量优化。通过差示扫描量热法（DSC）分析合金热行为，发现LPBF打印合金试样在固溶温度区间未出现吸热峰。X射线衍射（XRD）分析确认，不同热处理状态的合金基体内部均存在Mg2Si相。硬度测试显示，时效时间延长，硬度先升后降。拉伸测试显示，热处理后的合金强度显著提升，ST+AT工艺抗拉强度更高，但伸长率略有降低。透射电镜观察发现，ST+AT和直接AT处理后，合金内部析出针状Mg2Si相，强化机制为析出强化。直接时效工艺强化效果略低于ST+AT工艺，但操作简便、经济高效，适合实际应用。
综上所述，基板预热显著提升6061铝合金打印质量，人工时效处理促进Mg2Si相析出，提高合金力学性能。确定了ST+AT（560℃×1h+180℃×12h）和直接AT（180℃×10h）两种热处理工艺的最优参数，分别对应377 MPa和359 MPa的抗拉强度。直接人工时效工艺由于操作简便和经济高效，更具实用性。
这项研究为增材制造铝合金专用热处理工艺的制定提供了重要参考依据。
