【摘 要】
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碳化硅(SiC)颗粒增强铝基复合材料(Aluminum Matrix Composites,AMCs)因综合了铝基体与SiC增强相各自优异的性能,而具有高的比强度和比模量、良好的导电、导热性以及优异的抗疲劳和抗冲击性能,在航空航天、汽车轻量化等领域展现出广阔的应用前景。近年来,随着AMCs制备技术的持续发展,选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为一种可整体成
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目(项目号:51604223); 中国博士后基金特别资助项目(项目号:2019T120931); 陕西省创新人才推进计划项目(项目号:2019KJXX-052);
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碳化硅(SiC)颗粒增强铝基复合材料(Aluminum Matrix Composites,AMCs)因综合了铝基体与SiC增强相各自优异的性能,而具有高的比强度和比模量、良好的导电、导热性以及优异的抗疲劳和抗冲击性能,在航空航天、汽车轻量化等领域展现出广阔的应用前景。近年来,随着AMCs制备技术的持续发展,选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为一种可整体成形形状复杂高性能AMCs的新工艺,因具有近净成形、制备的材料晶粒细小、增强相分布均匀以及增强相与基体之间界面结合良好等特点引起了人们的广泛关注。然而,在采用SLM制备SiC增强AMCs的过程中,具有不规则形貌的微米尺寸SiC颗粒往往容易造成铺粉不均,并会引起复合材料内部局部应力集中以及拉伸加载过程中颗粒自身开裂,导致材料塑韧性大幅下降,难以有效发挥SiC颗粒的强化效果。这些因素已成为制约SiC增强AMCs性能提升的主要瓶颈。为解决上述问题,本文选用近球形纳米SiC颗粒作为增强相,首先采用低能行星球磨工艺(Low-energy Planetary Ball Milling,LEPBM)获得SiC/Al Si10Mg复合粉末,随后利用SLM技术制备SiC/Al Si10Mg复合材料,研究了扫描速度和后续热处理对AMCs组织和性能的影响。针对SLM技术制备纳米SiC增强AMCs的现存问题,通过对粉末混合工艺及SLM制备工艺参数优化,获得了SLM制备纳米SiC增强AMCs的最优工艺窗口。进一步结合SLM成形SiC增强AMCs的致密度、相组成、微观组织演变、界面结构以及室温拉伸/压缩力学性能和硬度等的表征与分析,深入探讨了激光能量密度(EV)对Al基体与SiC颗粒之间的界面结合演变规律及其力学性能的影响机制。研究结果表明,采用直接球磨法难以获得纳米颗粒均匀分散的复合粉末。扫描速度(ν)为1000 mm/s时,打印态试样获得最大相对密度(97.94%),并且其硬度(121 HV0.2)和抗拉强度(387 MPa)也达到最大值,但仍低于纯Al Si10Mg合金。微观组织研究表明试样内部存在较多孔隙,并且较低的能量输入导致了大量Al4C3脆性相和β-Al Fe Si相的生成。断口分析表明,在拉伸应力作用下Al/Al4C3界面极易发生脱粘,从而不利于AMCs强度和延性的提升。经300℃保温2 h后,试样的硬度和强度分别下降至74 HV0.2和254MPa。退火处理后网络状共晶组织断裂,Si从过饱和α-Al基体中析出。显然,固溶强化效应的减弱、网络状共晶组织的断裂以及基体晶粒的粗化导致了热处理态试样硬度和强度的降低。基于以上实验探索,本论文进一步通过采用溶剂辅助分散(Solvent-assisted Dispersion,SAD)与低能行星球磨相结合的工艺实现了纳米SiC颗粒在Al基球形粉末中的有效均匀分散。SLM成形工艺优化过程中发现,当ν固定为250 mm/s时,在高于150 W的激光功率(P)下即可制备近乎全致密的AMCs试样;SiC纳米颗粒沿α-Al亚晶界均匀分布,显著细化了基体晶粒。随着EV的增加,共晶组织由厚片状逐渐变为网状最终趋于弥散分布。同时,SiC颗粒在SLM过程中部分溶解并与基体发生反应,熔池温度的升高促进了反应产物向Al4SiC4的转化,从而加强了Al/SiC之间的界面结合强度。因此,在高激光能量输入下AMCs可获得较高的强度和断裂伸长率,这主要归因于显微组织均匀性的改善,强冶金/界面结合的形成以及有效的载荷传递。在激光功率达到210 W时,AMCs获得最佳的力学性能(硬度为131.7 HV0.1,模量为101 GPa,强度为440 MPa),相比于纯Al Si10Mg合金分别提升了约9.1%,2.8%和11.1%,同时保持了良好的塑性(7.4%)。
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