反射镜用(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料的SLM成形及其性能调控

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混杂增强铝基复合材料比单一颗粒增强材料具有更致密的组织和更为优良的综合性能,在工业应用中有更广阔的前景。通过传统铸造工艺制备的混杂增强复合材料容易产生颗粒团聚、材料结合性差等问题,而选区激光熔化(SLM)技术能够减少颗粒团聚、提高致密性同时实现材料的快速成形,适合制备较为复杂的零件。经过不同热处理工艺能够有效提高SLM成形试样的力学性能,但目前大多相关研究针对单一颗粒增强材料,因此有必要对混杂增强铝基复合材料的热处理工艺进行研究。铝合金反射镜可利用现有的机械加工工艺快速成型,使铝合金材料易于成型的优点得到充分发挥。同时,利用单点金刚石车削工艺对反射镜的镜面加工后,可直接获得符合光学成像质量要求的光滑表面,还可以经济高效地加工非球面。本研究以AlSi10Mg为基体,SiC和TiB2为增强颗粒,通过选区激光熔化成形技术,制备不同TiB2含量的(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料,改变激光功率,研究在不同工艺下,复合材料的组织和性能的变化规律,得到最优性能的复合材料,最终成型反射镜。主要结论如下:(1)当激光功率过小时,粉末无法完全熔化,熔融的金属不能填满两道激光之间的间隙从而使基体中出现气孔,材料的致密性和力学性能均较差;当激光功率较大时,粉末获得的能量过多,熔池容易产生飞溅从而出现球化现象,影响材料的组织和力学性能;适量的激光功率能耐有效提高材料的致密性。1%TiB2含量的复合材料表现出较高的硬度和力学性能,抗拉强度为477MPa,延伸率为8.6%,随着TiB2含量的增加,复合材料的力学性能和硬度均有所下降,耐磨性能和热膨胀性能有所提升。在材料中加入适量的TiB2颗粒,才能提高性能,过量的TiB2颗粒容易发生团聚,强化效果减弱。由于TiB2的异质形核效果,复合材料的晶粒尺寸由3.7μm降低至3.1μm,同时消除了试样内部晶粒的择优生长取向。相比于普通的机械加工工艺,经过单点金刚石加工后的反射镜能满足光学性能需求,面型精度达到3微米左右,表面粗糙率也较低,为后续镀膜工艺提供了较为平整的表面。(2)低温时效处理后,在固溶强化和沉淀强化的双重作用下,试样的显微组织没有明显变化,强度有所提高,抗拉强度从477MPa提升至498MPa;而经过较高温度时效处理后,试样中的熔池形貌消失,网格结构破坏,材料的力学性能降低。复合材料的延伸率、热膨胀性能均随时效处理温度的升高呈现出优良的性能,耐磨性能则相反。经过固溶处理后,试样的显微组织发生明显变化,Si颗粒析出聚集长大,组织形貌破坏使得强度下降,同时塑性增强。为同时兼顾反射镜的强度和面型精度,需对其进行时效+固溶混合热处理方法。(3)纳米SiC颗粒相比微米SiC,比表面积更小,可以提高激光的吸收率,使SLM成形的复合材料组织更细密,抵抗塑性变形能力增强,延伸率得到提高,但由于纳米颗粒的团聚以及成形过程中气孔的产生,材料的强度有所下降。纳米颗粒的添加增加了材料中的界面,抵抗热变形能力增强,热膨胀系数减小。
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