激光超声激励共熔池SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织演变与调控机制

Further lightweight manufacturing of aircraft and improvement of durability, stability and damage tolerance of high performance structural parts are the main targets for future development in the field of Aeronautics and Astronautics. It will start two aspects with the material and structure which are the development of high strength, high toughness, high corrosion resistance of the new material and the use of integrated forming complex parts instead of multi-part assembly parts to achieve this goal. The project intends to propose a new method of Selective Laser Melting with laser ultrasonic excitation by using Al-5.44Zn -3.68Mg -2.10Cu alloy. Then the finite element method of ANSYS which will be used to establish the two-layer isotropic model of transient temperature field distribution and ultrasonic generation and propagation under the condition of thermoelastic can obtain controllable energy density and ultrasonic frequency of laser ultrasonic energy field. The solidification regulation mechanism during the manufacturing process by SLM with laser ultrasonic excitation will be revealed. The influence of laser ultrasonic excitation on the mechanical properties of SLM forming parts in X-Y direction and Z-direction will be elucidated. The relationship between microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy will established. It will be envisaged that the present research can provide theoretical and technical support for the development of high performance components.

在航空航天领域，飞行器的进一步轻量化制造和提高高性能结构件的耐久性、稳定性和损伤容限是未来发展的主要目标。实现这一目标需从材料和结构两方面着手：开发出高强、高韧、高抗腐蚀性能的新材料；采用一体化成形的复杂结构部件代替多零件的装配部件。本课题拟采用航空Al-5.44Zn-3.68Mg-2.10Cu合金材料为研究对象，创新地提出了一种激光超声激励共熔池的激光选区熔化（SLM）成形方法。采用ANSYS有限元建立热弹条件下瞬态温度场分布及超声波产生和传播的双层各向同性的模型，获得可控能量密度与超声波频率的激光超声能场；揭示SLM增材制造过程中脉冲激光超声场对微熔池凝固组织的调控机制；阐明脉冲激光超声场对SLM成形零件在X-Y向和Z向综合力学性能的影响规律；建立Al-Zn-Mg-Cu合金材料微观组织结构与力学性能的关系模型。项目研究成果为发展高性能构件的应用提供理论和技术支持。

激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）增材制造技术具有成形精度高、制造周期短，可直接制造复杂、难加工及高性能金属构件，在航空航天、国防工业和生物医疗等领域具有广泛应用前景。但是，SLM成形零件由于其工艺特点容易产生各向异性和残余应力的突出问题，成为制约SLM技术发展的主要瓶颈之一。本项目结合激光选区熔化自身特点，将同步超声应用于SLM成形的凝固过程，研发了一种有效的调控凝固组织、提高成形件性能的新方法。该方法利用超声波调控熔池的凝固行为，抑制组织方向性生长，促使等轴晶化，从而改善各向异性；同时，超声波在熔池凝固过程中降低熔池各部位温差，减小残余应力。项目针对7系铝合金SLM成形块体试样极易产生微裂纹的问题，研究了7系铝合金热裂纹产生特性及机理，在此基础上优化了合金成分；研究了SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金工艺优化与微观组织演变规律与力学性能；研究了超声场辅助SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金的工艺优化、微观组织演变规律与力学性能；建立了超声工艺参数和SLM成形工艺参数、微观组织与力学性能之间的内在影响关系，揭示其相互作用规律与内在机制，阐明微裂纹缺陷产生机理及控制原理。研究结果表明：7系铝合金优化后成分为Al-5.44Zn-3.68Mg-2.10Cu-0.5Zr-0.3Sc；SLM技术和超声辅助SLM技术都能获得致密度为97%以上的合金试样；超声辅助SLM技术微观组织的晶粒更为细小，能有效抑制微裂纹的产生并阐明了微裂纹缺陷产生机理；超声辅助SLM技术成形拉伸试样中，最大抗拉强度为370MPa，横向延伸率为14%，纵向延伸率为8%，杨氏模量为80GPa，纳米硬度为1.5GPa，相比较传统SLM技术抗拉强度提升了26.76%，纵向延伸率提升了37.5%，建立了超声工艺参数和SLM成形工艺参数、微观组织结构与力学性能之间的内在影响关系，揭示其相互作用规律与内在机制。针对上述研究内容，共发表论文共9篇，其中SCI收录论文5篇，EI收录论文3篇；已授权专利3项。项目在激光与超声场复合作用下的SLM冶金机理及其性能特征方面获得较好成果，为改善SLM零件的性能提供新途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。

内容获取失败，请点击重试