Yb对激光增材制造AlSi12组织与性能的影响

摘要

【目的】铝合金因其低密度、高比强度与比刚度、优异的耐蚀性及良好的韧性，已成为工业领域应用最广泛的有色金属材料之一，至今仍是众多关键行业不可或缺的基础材料。在众多铝合金中，铝硅合金因硅的加入显著提升了合金的力学性能及综合使用性能，已得到最为广泛的应用。因此，对不同牌号铝硅合金的改性研究及应用开发一直是研究热点。激光增材制造因自动化程度高、成形周期短等优势，已成为先进制造的重要方向，其中激光熔化沉积（LMD）工艺凭借其独特优势正逐步得到推广应用。然而，目前采用激光熔化沉积制备的铝硅合金零件，其力学性能尚难满足高端应用的严苛要求。为此，本文研究了Yb添加对激光增材制造条件下AlSi12合金显微组织及力学性能的影响，探讨了适宜的Yb添加量。【方法】实验试样通过LMD-8060设备采用短边单道单次顺序扫描策略，并结合优化参数制备完成。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪（XRD）及万能拉伸试验机等分析仪器，系统分析了不同质量分数Yb对AlSi12合金显微组织及力学性能的影响规律。【结果】研究结果表明，适量Yb的添加能够有效细化初晶α-Al晶粒，并在高温快速凝固条件下对共晶硅起到明显变质作用。当Yb含量为0%～0.3%时，初晶α-Al形貌由柱状晶逐渐转变为等轴晶；共晶硅由不规则片状逐渐转变为形貌圆润的颗粒状且颗粒数量明显增加。当Yb含量约为0.3%时，观察到孪晶及双孪晶结构的出现。当Yb含量为0.3%～1.0%时，初晶α-Al与共晶硅进一步细化，但共晶组织中开始出现尺寸较大的块状硅相，呈立方体形态嵌入于铝基体中。XRD分析显示，合金中存在极少量第二相YbAl₂Si₂,推测与快速冷却凝固条件相关。EDS分析表明，Yb元素主要通过固溶强化方式对AlSi12合金起强化作用。在力学性能方面，合金的拉伸强度随Yb含量增加呈先升高后降低的趋势，当Yb含量约为0.3%时拉伸强度达到最大值（208.71 MPa）,当Yb含量约为1.0%时降至最小值。过量的Yb易引发合金脆化并在内部形成大量缺陷。【结论】综合组织与性能分析结果表明，对于AlSi12合金而言，Yb的最优添加量约为0.3%,在该含量下可有效改善其显微组织并提升力学性能，满足激光增材制造对铝硅合金的性能要求。

关键词

激光增材制造 / 稀土元素Yb / AlSi12合金 / 初晶α-Al / 共晶硅 / 共晶组织 / 显微组织 / 力学性能