选区激光熔化SiCp/AlSi10Mg复合材料的组织及性能研究

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选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为一种自上而下逐层成形的新型制备工艺,其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,同时由于成形时的金属粉末充分熔化,可成形出高质量高致密性的零件;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。本文将SiC颗粒与AlSi10Mg颗粒按百分比均匀混合烘干后作为原始粉末,采用SLM技术成功制备SiCp/AlSi10Mg的复合材料。以最终成形试样质量为主要标准,深入地研究了不同的激光处理工艺和参数对SLM成形SiCp/AlSi10Mg复合材料的物相、致密程度、显微组织和力学性能及其摩擦和磨损等性能的影响,不同氧化工艺对SLM成形件的组织与力学性能的影响,对热处理不同工艺阶段试样的形貌及性能进行了分析。主要内容及结果如下:(1)揭示了 SLM成形试样致密性、组织与物理性能随成形工艺的变化规律。SLM成形件随着扫描速度和扫描间距的增加相对致密度均为先上升后降低,具有最大峰值;为获得SiC颗粒分布均匀且具有较高致密度的成形件,所选择的扫描策略为67°偏转扫描,最优工艺参数为:扫描速度1100 mm/s,扫描间距0.11mm,扫描功率340 W,铺粉层厚30μm。由于高能激光束所具有的能量,SLM制备的SiCp/AlSi10Mg复合材料的微观组织内不但存在细小的等轴状α-Al基和基体间呈网格状分布的Si共晶,同时SiC颗粒与Al基体部分之间发生原位反应生成Al4SiC4增强相。SLM的最终成形件由多道多层熔化叠加形成,单个熔池和搭接区在显微组织中能够被区分为中心区、熔池边界区以及部分受热影响区;最高显微硬度为189HV,摩擦力系数和磨损率相对较低,分别为0.44和3.38 ×10-5mm3N-1m-1。最大抗拉强度365MPa,延伸率2.2%。(2)SiC颗粒高温氧化可改善SiC颗粒与Al基体的界面结合,提高复合材料的性能。当SiC的氧化温度保持在1200℃以上,随着SiC的氧化持续时间在2h-6h时,SiC表面最终呈现出晶态的SiO2,晶型为高温型方石英。氧化后SiC颗粒边角钝化,在同一工艺参数下SLM成形复合材料中SiC颗粒在Al基体的分布随着氧化程度变化而逐渐改善,复合材料的界面结合也随之得到改善。经过氧化后的SiC颗粒产生的SiO2在Al基体和SiC颗粒之间形成一个SiC/SiO2、MgAl2O4/Al的界面组织,实现了良好的润湿性结合。1200℃氧化6h时SiCp/AlSi10Mg复合材料获得的最大相对密度98.36%,最大抗拉强度376MPa。摩擦系数与磨损率下降,耐磨性得到提升,磨损机理转变为磨料磨损。(3)阐明了热处理对SLM成形SiCp/AlSi10Mg复合材料组织与性能影响规律。在T6热处理工艺过程中,固溶时网格状的共晶Si完全分解并转化为分离的片状Si颗粒,成形试样的的抗拉强度和硬度显著降低,但延展性得到提高;完成T6热处理后,共晶组织中的Si从基体中析出且不再相连,同时Al基体中析出了针状AlFeSi金属间化合物,硬度和拉伸强度增加,但作为局部裂纹萌生点,其延展性有所降低。热处理完成后成形试样的拉伸断口处出现大量等轴韧窝,其断裂方式转为典型的韧性断裂。
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