擠壓鑄造與激光選區熔化成形2024鋁合金的顯微組織差異
范朝勁1, 2，劉明陽1, 2，李毅波1, 2, 3*
（1.中南大學輕合金研究院；2.高性能復雜制造國家重點實驗室；3. 中南大學機電工程學院）
摘要：激光選區熔化技術（SLM）的創新性在于該技術相對于鑄造技術能夠以可快速生產復雜的部件，2024鋁合金較寬的凝固溫度區間使其在SLM凝固過程中容易產生裂紋等缺陷。本研究比較SLM成形2024鋁合金和流變擠壓鑄造成形2024鋁合金的顯微組織，結果表明：SLM成形2024鋁合金的微觀組織不及擠壓鑄造成形2024鋁合金分布均勻，且兩者的第二相分布差異顯著。向SLM成形2024鋁合金中加入TiC顆粒能夠顯著細化晶粒，并減弱晶粒的擇優取向，降低織構。
關鍵詞：激光選區熔化； 2024鋁合金； 擠壓鑄造； 顯微組織
The difference of microstructure between extrusion casting and laser selective melting of 2024 aluminum alloy
Zhaojin Fan1,2, Mingyang Liu1,2, Yibo Li1,2,3*
(1.Light Alloy Research Institute，Central South University; 2.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University)
Abstract: The innovation of laser selective melting technology (SLM) lies in its ability to rapidly produce complex components compared with casting technology. The wide solidification temperature range of 2024 aluminum alloy makes it easy to produce cracks and other defects during SLM solidification.This study compares the microstructure of 2024 aluminum alloy formed by SLM rheological extrusion casting. The results show that the microstructure of 2024 aluminum alloy formed by SLM is more complex than formed by extrusion casting, and the second phase distribution of the two is significantly different.The addition of TiC particles into SLM 2024 aluminum alloy can significantly refine the grains, weaken the preferred orientation of grains, and reduce the texture.
Key words: Selective laser melting； 2024 aluminum alloy； extrusion casting； microstructure
1 引言
現代工業需要制造重量輕的幾何零件，也要求降低生產成本和生產時間。這種需求導致了增材制造技術的發展。激光選區熔化技術(SLM)屬于金屬增材制造技術的一種，是中國制造2025計劃大力發展的先進制造技術[1]，在制造過程中，高能激光束根據計算機輔助設計(CAD)數據，使激光束有選擇性地掃描粉床的x-y平面 ，從而熔化粉末，在每一層凝固之后放低粉床，以便沉積下一層粉末。從而逐層構建零件[2]。這種特有的分層制造工藝可以快速生產復雜的幾何部件，不需要耗時的模具設計過程[3][4]，其具有優良的生態特性，是一種更清潔、更節約資源的生產過程。廢物產生率幾乎為零[5]。所以在最近十年得到快速發展，在航天航空、汽車、生物醫學及其他行業中廣泛應用[6]。
2024鋁合金屬于2系鋁合金，其主要的合金元素為Cu、Mg和Mn元素，強度高、耐熱性好，在航空領域應用廣泛用作于制作各種高負荷的零件和構件,如飛機上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，等構件，通常是通過流變擠壓鑄造工藝生產。然而，其較寬的凝固溫度區間使其在選區激光熔化過程容易產生裂紋和柱狀晶等缺陷[7][8]，故在國內外的研究進程相對緩慢。本文通過比較本人制造的SLM成形2024鋁合金和哈爾濱工業大學的肖冠菲[9]制造的流變擠壓鑄造成形2024鋁合金的顯微組織，這項對比研究可以突出SLM成形合金和擠壓鑄造合成形合金在顯微組織方面的差異。
2 實驗材料與方法
本人采用西安鉑力特BLT-320激光選區熔化設備對長沙天久材料有限公司生產的2024鋁合金粉末進行成形驗證實驗。其SLM成形參數：激光功率300W，掃描速度1000 mm/s，層厚30μm，掃描間距100μm，預熱溫度200℃，本實驗工藝采用的試樣尺寸為18×18×18mm。
哈爾濱工業大學的肖冠菲結合擠壓鑄造和半固態流變成形技術，采用機械攪拌法制備2024鋁合金半固態漿料，澆注至模具型腔中擠壓鑄造出2024鋁合金筒形件。其攪拌溫度為625℃，攪拌時間為25min。
將SLM成形2024鋁合金通過電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）成分分析，與擠壓鑄造成形2024鋁合金進行的X射線熒光光譜的成分分析進行對比：
表1 2024鋁合金的化學成分
|
成形方法 |
Cu |
Mg |
Mn |
Si |
Fe |
Al |
|
SLM |
4.1% |
1.49% |
0.67% |
0.09% |
0.12% |
余量 |
|
擠壓鑄造 |
4.522% |
0.982% |
0.577% |
0.094% |
0.124% |
余量 |
將SLM成形2024試件與擠壓鑄造成形2024試件進行取樣分析，所取試樣經過SiC砂砂紙進行打磨和拋光后，采用凱勒試劑（體積分數為：2.5%HNO3+1.5%HCL+1%HF+95%H2O）進行化學腐蝕，腐蝕時間為15-20S，腐蝕后立即用酒精進行清洗，再進行金相顯微鏡進行金相觀察，再用場發射電子掃描顯微鏡對成形試件的析出相進行觀察分析。
3. 試驗結果與分析
圖1為不同工藝成形2024鋁合金的顯微組織圖，圖1a為SLM工藝，其呈現典型的激光軌跡。激光軌跡可以分為兩個主要區域：熔池中心和熔池邊界，在熔池中心處，顯微組織是微細的等軸晶，此處只經歷過一次激光掃描；在熔池邊界處，晶粒結構為粗大的胞狀樹枝狀結構，熔池邊界的晶粒粗化是由于其較低的凝固速率(兩個相鄰熔池重疊處的凝固時間較長)造成的。在SLM過程中，銅和鎂的快速凝固可能會阻礙銅和鎂的擴散。因此，第二相的析出受到限制，形成了精細的過飽和胞狀樹突結構。圖1b為擠壓鑄造成形，其晶粒受到很大的變形，呈現出細長的條狀晶粒，在經過攪拌過程后，其晶粒的破碎程度不高，因此晶粒并未完全細化，呈現出粗大的條形組織。
圖1 不同工藝成形2024鋁合金顯微組織圖（a）SLM工藝 （b）擠壓鑄造工藝[9]
圖2為不同工藝成形2024鋁合金的掃描電鏡圖，圖2a為SLM工藝，在晶粒內部有白色的第二相生成，第二相的類型尚未確定，但通過掃描電子顯微鏡(SEM)的能量色散光譜(EDS)的分析結果，第二相主要主要由Al、Cu、Mg三種元素組成，初步判定為S相 (Al2CuMg)。圖2b為擠壓鑄造工藝，其晶粒尺寸在20μm左右，晶粒有明顯的三角晶界特點，在晶界周圍由分布這連續的析出相，經過掃描電子顯微鏡（SEM）的能量色散光譜（EDS）的分析結果，其析出相除了Al元素外，還含有大量的Cu元素和少量的Mg元素，故第二相為 Al2CuMg和Al2Cu，這是由于在成形后的冷卻過程中，第二相在晶界處析出，聚集了大量的Cu元素
圖2 不同工藝成形2024鋁合金掃描電鏡圖：（a）SLM工藝 ；（b）擠壓鑄造工藝[9]
為了進一步改善SLM成形2024鋁合金的顯微組織，向2024鋁合金中加入0.5%的納米TiC粉末，使用相同的工藝制成SLM成形0.5%TiC/2024鋁合金。，圖3a和圖3c是SLM成形2024鋁合金的尺寸分布圖和極射投影圖，圖3b和圖3d是SLM成形0.5%TiC/2024鋁合金的尺寸分布圖和極射投影圖。由尺寸分布圖可以看出，SLM成形2024鋁合金的晶粒尺寸分布于4-90μm，平均尺寸為20.1μm，圖中晶粒形貌為粗大柱狀晶，貫穿多個熔池生長，并且圖中紅色晶粒居多，表明沿<100>的晶粒居多，擇優取向明顯。SLM成形0.5%TiC/2024鋁合金的晶粒尺寸分布于0-6μm范圍內，平均晶粒尺寸為1.86μm，晶粒尺寸分布均勻，無明顯的擇優取向。表明納米TiC顆粒在SLM成形過程中能夠起到極好的異質形核作用，并提高形核率，從而顯著細化晶粒。根據標準極射投影圖可以得出，SLM成形2024鋁合金的織構類型為典型的{001}<100>立方織構。而SLM成形0.5%TiC/2024鋁合金無明顯擇優取向。
圖3 SLM成形2024鋁合金的背散衍射圖：（a）（c）2024鋁合金；（b）（d）0.5%TiC/2024鋁合金
4. 結論
（1）通過SLM成形2024鋁合金和擠壓鑄造成形2024鋁合金的顯微組織對比，SLM成形2024鋁合金的微觀結構復雜，不及擠壓鑄造成形2024鋁合金分布均勻，這是由于激光選區熔化（SLM）過程中的高熱通量和快速冷卻速率（103-106K/s）導致的。
（2）通過SLM成形2024鋁合金和擠壓鑄造成形2024鋁合金的第二相對比，SLM成形2024鋁合金的第二相主要分布在晶粒內部，擠壓鑄造成形2024鋁合金第二相析出在晶界處，這是由于在SLM過程中的快速凝固會阻礙銅和鎂的擴散，令SLM成形2024鋁合金的第二相析出受到限制。
（3）通過向2024鋁合金中加入納米TiC顆粒，能夠促使SLM成形2024鋁合金粗大柱狀晶向等軸晶轉變，顯著細化晶粒，并且能夠減弱SLM成形2024鋁合晶的擇優取向性，從而降低織構
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