让部件保持长寿命,橡树岭实验室开发出一种抗蠕变3D打印铝合金-金属3D打印工厂

让部件保持长寿命,橡树岭实验室开发出一种抗蠕变3D打印铝合金-金属3D打印工厂插图

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让部件保持长寿命,橡树岭实验室开发出一种抗蠕变3D打印铝合金

铝合金的蠕变变形对于长寿命部件至关重要,尤其是在与导热和导电性能相关的应用中。随着铝合金3D打印应用的增加,了解这种工艺如何影响蠕变行为非常重要,特别是在200–450°C温度范围内。当前一些研究过的3D打印铝合金的抗蠕变性并不乐观,例如3D打印的Al-Mg-Zr在400°C峰值时效处理或260°C蠕变过程中的,蠕变阈值应力降低了65%;同样,3D打印的Al-Mg-Si在225℃施加100–130MPa的压缩载荷,样品只保持了65小时。3D打印铝合金的蠕变主要归因于两个问题:合金中存在的细化晶粒可能导致晶界滑动,以及缺乏抗粗化强化相。

近日,来自橡树岭橡树岭国家实验室的研究团队提出了一种新的基于Al-Ce-Ni得共晶体系。在铸造文献中,基于该体系的三元共晶合金具有高体积分数(>20%)的亚微米Al11Ce3和Al3Ni析出物,这些析出物在高达400°C的温度下具有抗粗化能力,有助于在时效至400°C后保持铸态硬度。由于这种三元共晶系统显示出在高温应用方面的前景,因此它被选择用于增材制造研究,如Jackson-Hunt模型所述,通过高凝固速度的微观结构细化可以增强共晶合金的强度。

让部件保持长寿命,橡树岭实验室开发出一种抗蠕变3D打印铝合金

已经开发出多种适用于增材制造工艺的铝合金

由于3D打印的Al-Ce-Ni-Mn合金不可热处理,也就是说,预计不会发生沉淀硬化,强度只会随着暴露在高温下的颗粒粗化而减少。因此,抗粗化性能和经过精细的微观结构的结合对AM-Al-Ce-Ni-Mn合金的高温性能至关重要。

通过跨多个长度尺度的微观结构分析以及对环境和高温机械性能的评估,研究人员发现Al-Ce-Ni-Mn合金确实是一种有前途的耐高温应用轻质铝合金,可在250-400°C温度范围内应用。与传统铸造高温合金相比,抗蠕变性在300-400°C时特别出色,考虑到10-100μm的小晶粒尺寸,这是一个意想不到的结果。考虑到现有的3D打印铝合金普遍存在的低蠕变性能,本文的结果颇出人意料,从而为未来抗蠕变3D打印铝合金的设计提供了几个重要的考虑因素。

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铝合金3D打印应用

通过对微观结构和力学行为的广泛表征,得出以下结论:

1.合金在应力消除后微观结构很复杂,含有高体积分数(~35%)的球化亚微米金属间相。通过原子探针断层扫描,发现了至少四种不同的金属间化合物相,观察到的相的组成与热力学计算一致。铝晶粒大部分呈柱状并与构建方向对齐,晶粒宽约10微米,长约100微米。

2.在450°C下进行2小时的去应力退火会产生抗粗化的微观结构,因为在350°C下无载荷退火下,初始平均析出物半径118±29nm保持不变长达200小时。在400°C等温时效200小时后,平均析出物半径增加17%。在蠕变载荷条件下,抗粗化能力略有下降,在350°C下测试312小时后,析出物半径增加了37%,在400°C下测试747小时后,析出物半径增加了82%。

让部件保持长寿命,橡树岭实验室开发出一种抗蠕变3D打印铝合金

不同测试环境下铝合金的性能

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不同测试环境下铝合金的性能

3.室温屈服强度为258±4Mpa,与在考虑晶界、固溶体和Orowan强化时所计算的结果接近,并预计载荷传递会带来额外的贡献。在室温下获得了可观的10±1%的拉伸延展性。400°C时的屈服强度为70±1MPa,比该温度下的Al-10Si-0.3Mg高约60MPa。消除应力后,在300和350°C等温时效200小时后,显微硬度保持在~110HV不变。在400°C时效200小时后,显微硬度略有下降11%。

4.3D打印的Al-Ce-Ni-Mn合金在300-400℃的抗蠕变性优于铸造高温铝合金如Al-12.5Ce、Al-6.4Cu-0.19Mn-0.13Zr和Al-0.10Sc-0.12Er。源自高体积分数的抗粗化亚微米析出物,这些析出物是扩散控制位错爬升的有效屏障,同时还提供负载转移。这些微观结构特征为未来抗蠕变3D打印铝合金的设计指明了方向。在T≤350°C的应力水平下没有观察到扩散蠕变,这表明晶界处的析出物是扩散流动的有效屏障。

除了Al-Ce共晶体系,也包括基于Al-Ni、Al-Fe和Al-Cu共晶体系。这些体系不仅具有固有的抗热裂性,3D打印加工相关的快速凝固还可以细化这些合金中的共晶结构,从而产生与Al-Si-Mg相当的室温机械性能。除了可打印性之外,新型共晶合金还有另一个优势。与Al-Si-Mg合金不同,几种合金中的强化相抗高温粗化,表明它们将具有优异的高温机械性能。由于共晶合金不含昂贵元素,例如Sc,它们是一种成本较低的替代Al-Sc基高温合金的材料。
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