TiB2/AlSi10Mg复合粉体材料的制备与选区激光熔化成形研究

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铝合金作为一种典型的轻质材料,在选区激光熔化(Selective Laser Melting,缩写为SLM)领域备受关注。然而,铝合金激光吸收率低、热导率高和氧化倾向性大等特性阻碍了其在SLM领域的进一步应用与发展。与其他铝合金体系(如Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg等)相比,AlSi10Mg具有更好的铸造性能与焊接性能,因此SLM成形能力更好。但是,其强度中等,难以满足工业应用日益增长的需求。研究表明,材料复合化是对铝合金改性处理的一种有效途径。然而,传统机械球磨法制备铝基复合材料时,会导致复合粉末产生大量变形,严重影响SLM成形的铺粉效果。因此,为了改善铝合金SLM成形性能,本文提出采用球磨-球化工艺制备高球形度的TiB2/AlSi10Mg复合粉末材料,这不仅可以提高粉体材料的流动性,还可以有效控制粉体颗粒的表面成分。以便更好地了解TiB2/AlSi10Mg复合粉末对SLM成形的适用性,从粉末本身性质及SLM成形效果两个方面进行了验证:一方面,对该粉末的形貌结构、粒径分布、物相及激光吸收率等方面进行了研究;另一方面,对该粉末进行了SLM成形验证,讨论了粉体特性对成形工艺、组织及力学性能的影响。主要结论如下:1)球磨-球化法制备的TiB2/AlSi10Mg复合粉末具有高的球形度与好的分散性,且粒径分布均匀。由于这些特性,与单一的机械球磨法制备的TiB2/AlSi10Mg复合粉末相比,具有更优的SLM成形能力。2)与AlSi10Mg粉末相比,球磨-球化法制备的TiB2/AlSi10Mg复合粉末的激光吸收率由23.2%提高至42.1%。其主要原因可归结为两方面:1)TiB2对AlSi10Mg进行表面改性作用;2)球化后得到的TiB2/AlSi10Mg具有粗糙表面,提高了激光在粉末层的反射次数,从而提高了激光吸收率。由于激光吸收率的改善,得到致密的TiB2/AlSi10Mg打印件所需的激光能量密度更低,由文献报道所需的60J/mm3(AlSi10Mg)降低至51.3J/mm3。3)球磨-球化法制备的TiB2/AlSi10Mg复合粉末为TiB2表面包覆AlSi10Mg的结构。该结构一方面提高了粉末对激光能量的吸收率,另一方面影响了热量在熔池中的传导行为,使得熔池的形成由钥匙孔模式转化为热传导模式,抑制了打印件钥匙孔的形成。4)球磨-球化法制备的TiB2/AlSi10Mg复合粉末实现了对SLM成形铝合金的强化,其断裂拉伸强度可达到413MPa,强化机制主要包括Hall-Petch强化、Orowan强化与弥散强化。其中,TiB2增强相的弥散分布对TiB2/AlSi10Mg复合材料强度提高起到主要作用。
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