【摘 要】
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选区激光熔化(SLM)作为一种先进的增材制造技术,能够实现金属零件的快速成形制备,在诸多行业中都有应用。特别在模具行业中,其可以获得具有性能优良、零件内部结构高度自由化等特点的金属模具,目前正成为3D打印工业发展中的一个热门方向。金属基复合材料因其具有良好的力学性能,能够满足工业对材料日益严格的性能要求,越来越受到行业内的广泛关注。因此,本研究以P20塑料模具用钢为金属基体,利用SLM技术制得P2
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选区激光熔化(SLM)作为一种先进的增材制造技术,能够实现金属零件的快速成形制备,在诸多行业中都有应用。特别在模具行业中,其可以获得具有性能优良、零件内部结构高度自由化等特点的金属模具,目前正成为3D打印工业发展中的一个热门方向。金属基复合材料因其具有良好的力学性能,能够满足工业对材料日益严格的性能要求,越来越受到行业内的广泛关注。因此,本研究以P20塑料模具用钢为金属基体,利用SLM技术制得P20试样和Al2O3/P20复合试样,通过实验探究不同含量的Al2O3陶瓷对SLM成形Al2O3/P20复合试样的表面形貌、组织、硬度及摩擦磨损性能的影响。具体研究结果如下:通过选定的SLM激光加工参数,P20模具钢试样被成形制备出来,熔化痕搭接情况良好。在复合试样中,陶瓷Al2O3在SLM成形过程中发生了熔化或部分熔化,形成了团聚物。而且,根据表面形貌观察,Al2O3团聚物偏聚于两相邻熔化痕的搭接处。随着Al2O3含量的增加,白色Al2O3团聚物的数量增加,尺寸变大。观察还发现,随着Al2O3含量增加到2.0wt%,成形试样表面质量明显下降。SLM成形各试样的致密度随着Al2O3含量的增加而逐渐降低,P20试样的致密化水平最高,致密度可达99.3%,而P20-A2.0试样(添加了2.0wt%Al2O3的复合试样)的致密化水平最差,致密度仅有94.2%。由于SLM技术自身的成形特点,SLM制备P20试样内部组织存在着局部差异。激光熔化成形P20试样的熔池微观结构中,马氏体为主要组成,而且熔池顶部区马氏体组织比熔池底部区马氏体组织更粗大。此外,熔池顶部区组织经历了原位回火转变过程,具有多种类型,而熔池底部区组织是以淬火针状马氏体为主。在复合试样中,随着Al2O3陶瓷的增加,熔池顶部区组织经历的原位回火反应程度增强,组织变化多样,包括马氏体的回火转变、奥氏体的回复和长大、板条马氏体的形成及细小碳化物颗粒的析出。SLM成形Al2O3/P20复合试样的硬度性能测试结果表明,不仅材料的内部组织结构会影响硬度性能,材料内部的缺陷以及Al2O3的团聚物也会影响材料的硬度性能。另外,摩擦磨损实验结果表明,P20-A1.0试样(添加了1.0wt%Al2O3的复合试样)和P20-A2.0试样性能表现较好,P20-A1.0和P20-A2.0试样摩擦系数和磨损率分别为0.61±0.091,0.205×10-9m~3/N m和0.42±0.160,0.155×10-9m~3/N m。并对上述实验结果进行了讨论分析。通过本文的研究,确定了SLM成形P20模具钢试样以及Al2O3/P20复合试样的可行性,探究了Al2O3陶瓷相对复合试样组织及性能的影响规律。为金属基复合材料SLM成形研究提供了一种新的复合体系,为SLM成形金属基复合材料模具零件的工业应用给出了实验基础。
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