2195铝锂合金激光粉末床制造构件热裂机制与性能调控.pdfVIP

摘要

摘要

随着航空航天对轻质高强合金需求的与日俱增，铝锂合金因其具有更低的

密度、更高的比强度、损伤容限和耐蚀性能等优势被广泛应用于航空、航天和

武器装备领域。目前，应用于航空飞行器和航天运载器的铝锂合金构件大多采

用铆接或焊接而成，一方面，这种拼接会牺牲构件的一部分力学性能，另一方

面，也无法满足航空航天结构复杂化和功能一体化的发展需求，因此，亟需开

发一种铝锂合金构件整体制备技术以实现其更为广泛的应用。激光粉末床熔化

(Laserpowderbedfusion，LPBF)技术作为增材制造技术的重要分支，可实现

高性能金属结构件的直接近净成形，不仅可以保证构件整体性能，也显著减少

零件加工周期和制造成本。

然而，在研制铝锂合金化学成分时并未全面考虑到其增材制造工艺性，由

于低沸点Li元素和高热裂倾向Cu元素的引入，采用LPBF制备2195铝锂合

金过程中，存在低沸点Li元素蒸发烧损抑制难、高热裂敏感性引发的成形件

致密化难，以及复杂微观组织演变引起的性能调控难等挑战，如果以上难点未

得到有效解决，势必会导致增材制造铝锂合金的综合性能与应用水平很难达实

际需求，基于此，本课题重点针对LPBF制备2195铝锂合金过程中的元素蒸

发机制和热裂纹形成机制展开研究，并探索实现较优综合性能的调控策略。

首先，为了实现LPBF制备铝锂合金的成形质量控制，参考点-线-面-体渐

进式研究思路，探索铝锂合金单道-多道-块体试样工艺窗口。研究发现，单熔

道成形特性由激光-粉末相互作用过程中所采用的线能量密度与熔化模式共同

决定。相同线能量密度下，匙孔模式所形成的熔道尺寸是热传导模式的2-8倍。

而块体试样继承了单/多熔道的成形特性和规律，低速低功率有助于获得表面

平整，内部致密的成形试样。最优参数(P=200W和v=100mm/s)下，所制备块

体试样表面粗糙度最小为2.59μm，致密度最大为99.24%，但Li烧损率为19%，

抗拉强度仅为337MPa。

其次，为了揭示LPBF制备铝锂合金过程Li元素蒸发机制，采用基于离散

元与有限体积法耦合的熔池动力学模型计算LPBF过程熔凝行为，并将熔池几

何和温度特征代入基于Knudsen层的非平衡蒸发模型，获得不同能量参数下的

Li元素蒸发特性及烧损率调控策略。研究发现，热传导模式下由于熔池最高温

度低于合金沸点，Li元素饱和蒸气分压低于103atm，而匙孔模式下激光-材料

之间强烈的物质/能量交换导致匙孔壁形成局部高温区，其饱和蒸气分压可达

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文

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10-10atm，因而在蒸发界面附近非平衡Knudsen层上下边界产生促使Li元素

剧烈蒸发的巨大压力梯度。此外，匙孔模式下的高热积累和强熔池流动促进了

熔池表面积的扩张，显著提高了Li元素烧损率。因此，采用“热传导模式+高

扫描速度”的Li元素蒸发抑制策略，可将烧损率控制在5%以内。

再次，为了阐明LPBF制备铝锂合金热裂纹形成机制，借助三维断层扫描

技术再现和分析裂纹形貌和分布特征，并基于凝固理论，建立微观组织演变规

律与热裂敏感性的关系，揭示热裂纹萌生和扩展行为。研究表明，AlCu相与

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基体间的溶质扩散并伴随着晶间残余液相中的Cu元素偏析，是导致凝固末期

Al-Cu共晶液膜沿大角晶界不连续析出的主要原因，且大角晶界处相比晶粒内

部具有更高的液膜稳定性和裂纹敏感性。研究证实，晶间低熔点共晶液膜撕裂、

液相通道填充不足以及局部滑移孔洞等主要裂纹源，在拉应力驱动下沿晶界萌

生并跨熔道持续扩展，形成互通互连的三维网状热裂纹。

最后，为了实现LPBF制备铝锂合金裂纹抑制和性能强化，提出基于双重

热处理的微观组织调控策略，在降低热裂敏感性的同时扩大工艺窗口，显著提

高铝锂合金的力学性能。研究表明，基于原位热处理（175℃基板预热）和T6

热处理（