【摘 要】
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从飞机机体结构材料的演变历程上看,铝合金是主要的材料之一,是因为铝合金具有高比强、高比模、加工和可维修性好、成本低廉等诸多优点,然而传统铝合金零部件的性能已不能满足要求,因此铝基复合材料得到发展。目前主要是通过向基体中添加陶瓷增强相的方式来提高铝基复合材料的性能,其在一定程度上提升了复合材料的性能,但由于陶瓷颗粒与金属基体之间润湿性差,会导致陶瓷颗粒与基体界面结合差,裂纹在界面处容易萌生和扩展,这
【基金项目】
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西安市科技计划先进制造业技术攻关项目基金(编号:21XJZZ0048);
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从飞机机体结构材料的演变历程上看,铝合金是主要的材料之一,是因为铝合金具有高比强、高比模、加工和可维修性好、成本低廉等诸多优点,然而传统铝合金零部件的性能已不能满足要求,因此铝基复合材料得到发展。目前主要是通过向基体中添加陶瓷增强相的方式来提高铝基复合材料的性能,其在一定程度上提升了复合材料的性能,但由于陶瓷颗粒与金属基体之间润湿性差,会导致陶瓷颗粒与基体界面结合差,裂纹在界面处容易萌生和扩展,这在一定程度上影响了铝基复合材料的性能。为解决以上问题,本研究使用低能球磨工艺,将金属W与AlSi10Mg合金粉末均匀混合,制备了 W/AlSi1 0Mg复合粉末,并使用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术成形。在实验的基础上,对粉末粒径进行优化,并通过数值模拟缩小SLM成形工艺区间,进一步进行实验验证,获得最佳工艺参数。并基于最佳制粉工艺和SLM成形工艺,制备金属Er改性AlSi10Mg复合材料,详细研究激光扫描速率对复合材料致密度、微观组织演变、力学性能和相组成的影响规律。研究结果表明:当使用孔径为150 μm筛网筛分的W/AlSi10Mg复合粉末进行SLM成形时,随激光扫描速率增大,铝基复合材料的致密度和抗拉强度均先增大后减小。然而在最优SLM参数下制备的复合材料内部仍会出现未熔合孔隙,这与某些大颗粒未完全熔化有关。基于以上实验探索,本论文将W/AlSi10Mg复合粉末通过孔径为75 μm的筛网进一步筛分,建立粉末床模型,并进行SLM过程模拟。模拟结果表明:当激光扫描速率为2200 mm/s时,熔池尺寸合适,形状规则,熔池内部流动良好;对熔池边界温度梯度G和凝固速率R进行研究,随着激光扫描速率增加,G×R和G/R的值整体上增大。对上述模拟结果进行实验验证,实验结果表明:当激光扫描速率为2200 mm/s时,复合材料致密度最高,综合力学性能最好;随着激光扫描速率增加,熔池内部Al晶粒尺寸逐渐减小,并且生长方式依次为等轴状生长、长树枝状生长和短树枝状生长,与模拟结果较为符合。获得了SLM成形W改性铝基复合材料的最佳工艺:激光功率为300 W、层厚为0.03 mm、扫描间距为0.08 mm,激光扫描速率为2200 mm/s,该工艺下制备的W改性铝基复合材料具有高的致密度(97.4±0.88%)和优异的拉伸性能(屈服强度为286.8±7.3 MPa、抗拉强度为441±4.2 MPa,延伸率为3.07±0.32%),其屈服强度和抗拉强度相比于SLM成形AlSi10Mg合金的分别提升了约15%和11%,延伸率基本相当。强度的提升主要归因于固溶强化、细晶强化、晶界强化、Orowan强化和热错配强化等强化机制的协同作用。当激光功率为300 W、层厚为0.03 mm、扫描间距为0.08 mm、激光扫描速率为1800 mm/s时,SLM成形Er改性铝基复合材料的致密度和综合力学性能最优,致密度为94±1.4%,屈服强度为246.1±7.4 MPa,抗拉强度为384.1±6.5 MPa,延伸率为3.8±0.26%。Er与网状共晶Si生成了弥散细小的ErSi2相,其均匀分布于Al晶界处,起到钉扎晶界,阻碍晶界失稳长大的作用,进一步提高材料强度。
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