激光选区熔化成形(TiB2+SiC)颗粒混杂增强铝基复合材料显微组织与力学性能

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颗粒增强铝基复合材料(Aluminum Matrix Composites,AMCs)具有轻质、高比强、耐高温、耐磨损等优点,在汽车、航空航天等领域均有广泛应用。相比于单一颗粒增强铝基复合材料,混杂颗粒增强铝基复合材料既可发挥各增强相的优势,多相协同混杂增强,有望获得优良的综合力学性能,又可降低材料成本。然而传统制备方法存在生产周期长、零件形状受限、模具制造成本较高等问题。迄今为止激光选区熔化成形(Selective Laser Melting,SLM)颗粒混杂增强铝基复合材料的研究未见报道。TiB2颗粒热导率低、激光吸收率高,不但可作为铝合金的弥散增强相,而且可作为异质形核剂。Si C颗粒硬度大,耐磨性好,成本低廉,可作为铝合金的弥散增强相。因此本文采用低能球磨工艺制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末,优化了其SLM成形工艺参数,对比研究SLM成形(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs和AlSi10Mg合金的显微组织与力学性能,并初步探究(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs的热处理工艺,旨在为SLM成形致密度高、综合力学性能优良的颗粒混杂增强铝基复合材料零件提供技术参考。采用低能球磨工艺在135 r/min-3 h-5:1下制备出纳米TiB2颗粒与亚微米Si C颗粒均匀附着于微米铝合金粉末基体表面的(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末,粉末的球形度良好。2 wt.%纳米TiB2颗粒降低合金粉末激光反射率的作用胜过1 wt.%亚微米Si C颗粒提高合金粉末激光反射率的作用,从而提高了复合粉末的激光吸收率,有利于SLM成形。通过实验探究(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs的SLM成形工艺参数对试样致密度、表面粗糙度、显微组织与硬度的影响。结果表明:在高速扫描时,激光能量密度越大,试样的致密度越大,表面粗糙度越小。当激光功率为240W时,试样的致密度均达到97.5%以上,随着扫描速度的增大,致密度先增后减,显微硬度逐渐增大。在适宜范围内,随着激光能量密度增大,Marangoni对流增强,有利于增强颗粒在基体中均匀分布。确定了最优SLM成形工艺参数:激光功率240 W,扫描速度1400 mm/s,扫描间距110μm,其成形试样致密度可达98.9%。对比分析了SLM成形AlSi10Mg合金、(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs的显微组织及力学性能。结果表明:增强颗粒与铝基体的结合界面干净,没有界面反应产物。相比于SLM成形AlSi10Mg合金,由于纳米TiB2颗粒有良好异质形核效果,(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs的铝基体晶粒得到了显著细化,平均晶粒粒径由7.88μm细化至2.48μm,试样XOZ面的晶粒组织由粗大的柱状晶转变为细小等轴晶及少量短棒状晶,<001>择优取向和{001}<100>立方织构显著减弱。SLM成形(TiB2+SiC)混杂颗粒增强AMCs试样的综合力学性能显著提高,强度与塑性均高,抗拉强度为509.8 MPa,伸长率为10.6%,强度的提高主要归因于载荷传递、细晶强化和弥散强化机制。塑性提高主要归因于晶粒细化。对SLM成形(TiB2+SiC)颗粒混杂增强AMCs采用不同的热处理工艺。结果表明:180℃/12 h为其最佳直接时效工艺,经直接时效处理后少量Si析出,铝基体发生软化,同时在铝基体中弥散析出针状β"相与短杆状β’相,弥补了固溶强化的减弱,试样的硬度和屈服强度均有所提高,抗拉强度略有提高,塑性有所下降;经退火处理后有较多Si析出。同时,随着退火温度升高,网络状共晶Si逐渐溶解、断开,Si析出量逐渐增多并在原来的网络凹槽或棱角处发生Si相的聚集长大,固溶强化作用减弱,导致试样的硬度和强度下降,塑性提高。
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