TIG-MIG复合电弧增材制造散热器用铝合金工艺及组织与性能研究

摘要

随着近年来在船舶、压力容器、军事、汽车和航空航天工业的发展，铝镁合金由于具有低成本、良好的韧性、优异的耐腐蚀性和较高的比强度被广泛用于大型结构部件中。电弧增材制造技术由于具有高沉积效率、高材料利用率、材料和设备成本低以及零件尺寸没有限制等优点越来越受到广泛关注。本文采用 TIG-MIG 复合电弧作为热源，由于基板不接电源，电弧的热量充分用于丝材熔化，是一种低热输入高沉积效率的复合热源。因此本文利用TIG-MIG复合电弧对5356铝合金进行增材制造，建立工艺参数与增材几何尺寸数学模型，然后采用优化工艺参数增材制造单道多层铝合金构件，研究不同位置以及不同热处理温度对铝合金构件微观组织、力学性能以及散热性能影响。 研究结果表明，在固定的增材制造工艺参数下，工艺参数与几何形貌有如下特点：当电流低于160A或者增材速度高于40cm/min，焊缝出现不连续和蛇形；当电压大于25V时，出现大量飞溅，焊缝不成形；当钨极-基板高度高于14mm时，不连续颗粒出现；当增材速度低于10cm/min时，熔融金属堆积，导致熄弧，无法继续成形。工艺参数与增材几何尺寸模型具有较高显著水平以及拟合度。工艺参数对增材高度影响如下：电压＞增材速度＞电流=钨极-基板高度；工艺参数对增材宽度影响如下：电压＞电流＞钨极-基板高度＞增材速度。 微观组织结果表明，沉积态和热处理状态的微观组织主要是等轴晶，等轴晶尺寸由大到小依次为底部、中部、顶部。随着热处理温度的升高，β相逐渐溶入α-Al基体中且晶界逐渐明显。层与层之间析出大量β相，经历热处理之后，β相溶入α-Al基体中，细小等轴晶和柱状晶的混合出现。 力学性能及扫描断口表明，所有状态下铝合金的硬度值随着距离基板越来越远而升高，在顶部时硬度值达到最大，在过程中硬度值波动较大，随着热处理温度升高，平均硬度值从64.2HV0.1升高至75.3HV0.1。沉积态铝合金平均抗拉强度随着热处理温度的升高由226Mpa升高至269Mpa，平均延伸率由29.75%下降至12.2%。沉积态和350℃热处理的断口呈现典型的韧性断裂，450℃热处理的断口呈现准解理断裂，550℃断口呈现脆性断裂，所有断裂均呈现穿晶和沿晶混合断裂模式。 散热性能测试表明，沉积态铝合金、350℃热处理铝合金和 450℃热处理铝合金在不同位置温度分布均匀且冷却速率相同，550℃热处理铝合金不同位置温度分布不均匀并且冷却速率有差异。通过将各个状态铝合金全部区域温度平均值做比较，可以发现在热处理温度为350℃和450℃时，可以明显提高沉积态铝合金冷却速率，当采用550℃热处理时，沉积态铝合金冷却速率大幅度下降。

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