热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合

前言

铝合金具有相对低的密度、高导热和耐腐蚀等优点，是航空航天领域常用的轻质材料，但对于LPBF而言，打印过程中激光能量密度高，冷却速率快，同时由于铝合金独特的物理性质如：低激光吸收率、高导热且易氧化等，使得打印样品中容易出现气孔、裂纹等缺陷，增材制造难度非常高。AlSi10Mg合金具有良好的铸造性能和焊接性能，能够在LPBF的熔化、凝固冶金过程中展现良好的成形性。然而较高的热膨胀系数限制了其在高尺寸稳定性要求领域的应用。由于LPBF冷却速率快会使合金中产生较大的残余应力，因此需要对成形样品进行后续的热处理进行性能优化。

本文采用激光粉末床熔融（LPBF）法成功制备AlSi10Mg合金样品，研究℃/4h时效处理、℃/10h退火处理和℃/1h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响，以及热处理后lSi10Mg合金在室温～℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。

实验材料

使用的AlSi10Mg商用合金粉末的微观形貌和粒径分布如图1所示.

由图1（a）可观察到，粉末颗粒的形态近似球形，尺寸相对均匀，少量小颗粒与大颗粒粘连，呈“卫星球”状。粉末的粒度分布在10～60μm范围内，其平均粒径约为40.64μm，如图1（b）所示。

结果与分析

显微物相组织

对LPBF成形AlSi10Mg合金样品分别取平行于构建方向（XOZ面）和垂直于构建方向（XOY面）的截面组织进行金相观察，结果如图2（a）和（b）所示。

LPBF成形AlSi10Mg合金样品XOZ面的OM图像显示出由多个小尺寸熔池组成的不规则的“鱼鳞”状形貌。这种特殊的组织形貌主要是由于激光光斑的能量呈高斯分布，激光束中心区域的能量密度最高，而向两侧逐渐降低形成扇形熔池，这些微小熔池层层堆叠形成了所观察到的特殊结构。而退火处理和固溶处理对样品的微观形貌产生显著影响。

图3为AlSi10Mg粉末、直接成形以及不同热处理后的AlSi10Mg合金试样的XRD衍射图谱。样品中均检测出α-Al、Si以及Mg2Si相的衍射峰。然而，观察到不同样品中的α-Al和Si衍射峰强度存在较大差异。可以发现，与粉末及热处理后的样品相比，成形态样品中Si相衍射峰较为微弱，这主要是由于LPBF成形过程中极快的冷却速率导致Si原子来不及析出，固溶于α-Al基体中而形成过饱和固溶体。

图4为直接成形及不同热处理工艺后AlSi10Mg合金XOZ面的SEM图像及其EDS分析。由图4可以看出，成形样品显示出由共晶Si网格包围的α-Al基体所构成的微观组织。

图4（b）为时效处理后成形AlSi10Mg合金的显微组织。可以看出，合金中保留了网状Si结构，其微观组织与成形样品相似。

热物理性能

图5为直接成形与不同热处理工艺后AlSi10Mg样品的热应变曲线和平均热膨胀系数（CTE）曲线。由图5（a）可以观察到，合金样品的热应变随着温度的升高而呈上升趋势，在℃以下，样品的热应变-温度曲线基本呈线性关系。当温度超过℃时，成形和时效样品的曲线均呈现出较大的线性偏差，表明样品产生了额外的热应变。

图6为成形及不同热处理后AlSi10Mg样品的热导率随温度变化曲线。由图6可以看出，退火处理后样品具有较高且相对平稳的热导率。

结论

（1）利用LPBF成形AlSi10Mg合金，通过三种不同的热处理工艺改变其微观结构从而改善合金的热物理性能。经时效处理后，LPBF成AlSi10Mg合金中保留了与成形态相似的Si网格，但析出了少部分Si颗粒，使得合金CTE略微降低，由于网状Si仍然存在阻碍电子运动，热导率并无较大改善。

（2）经过固溶处理后，LPBF成形AlSi10Mg中析出块状的Si颗粒，相比之下一定程度抑制了铝基体膨胀，进一步降低了CTE。而固溶后块状Si与Al基体之间的孔隙缺陷影响了传热效率。

（3）经过℃/10h退火后，Si从基体中析出并聚集成球化的Si颗粒，Si颗粒均匀分布在基体中，有效抑制铝基体的膨胀，基体中的网状共晶硅组织消失，增加了自由电子的运动，有利于传热。退火后的合金样品在室温～℃的CTE为1.64×10?5～2.1×10?5℃?1范围，平均热导率为.6W·m?1·K?1，使合金材料性能更加稳定。

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AlSi10Mg电镜图

参考文献：

文章编号：-()02--08