选区激光熔化SiC_p/AlSi10Mg复合材料的组织及性能研究

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碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料作为一种新型轻质材料,具有高性能,低成本的优点,在航空、航天和军事等领域应用越来越广泛。然而传统制造方法无法满足复杂形状铝基复合材料的制备需求。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为一种国际上新型的制备工艺,SLM的优势在于可以加工出传统制造方法难以实现的复杂结构零部件;而且成形时由于金属粉末全部熔化,其制件的致密度比较高;加之快速冷却可有效细化组织、显著提高力学性能,有望解决传统制造方法遇到的难题。本文采用SLM技术制备了SiCp/AlSi10Mg复合材料试样,并以此作为研究对象,系统研究SLM成形过程中粉末特性与粉末流动性关系、缺陷形成机制、显微组织及力学性能的关系、以及热处理的调控方法,目标获得高性能、致密件的成形方法。主要内容及结果如下:通过研究SiC颗粒及AlSi10Mg合金粉末的特性对流动性的影响,解决了粉末流动性差而落粉困难的问题。发现粉末的流动性是由其形状以及粒径的分布决定的,粉末形状不规则以及细小颗粒含量多都使其流动性降低;为了提高粉末流动性,应选择形状圆润以及中等粒径的粉粒。其次,通过抽真空的手段,可以一定程度上改善粉末的流动性。研究了SiCp/AlSi10Mg复合材料选区激光熔化工艺参数(扫描速度和间距)对成形件缺陷的影响,得到了一套可致密成形的工艺参数。发现其他参数不变,致密度随着扫描速度的增加而降低,随扫描间距的增加先增大后减小。针对缺陷形成原因进行分析,在已有理论基础上,得到了SLM成形SiCp/AlSi10Mg复合材料裂纹出现的判据,为SLM成形该材料工艺设计奠定基础。获得缺陷较少的工艺参数:激光功率280W、扫描速度1000mm/s、扫描间距0.14mm、层厚30μm。通过优化后的工艺参数制备SiCp/AlSi10Mg复合材料,研究SiC增强颗粒体积分数对SiCp/AlSi10Mg成形试样显微组织及力学性能的影响。发现提高SiC颗粒体积分数可以产生Al4SiC4增强相,随着SiC增强颗粒分数的增加,布氏硬度及摩擦磨损性能会得到提升。但是加入的SiC颗粒体积分数具有理论极限,超过理论极限,组织分布会变得不均匀,产生缺陷。研究了退火处理对所得SiCp/AlSi10Mg试样显微组织及力学性能的影响。发现随退火温度升高,促进α-Al基体中过饱和Si原子的扩散,Si原子析出形成白色弥散颗粒;Al-Si共晶组织逐渐开始溶解消失,形状从条状变得圆润,从聚集态变向分散态。试样的布氏硬度先增加后减小,相应的摩擦磨损性能也先增加后降低。
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