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第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 08 11;修回日期:2022 09 06基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目:选区激光熔化 GNP/AlSi10Mg 复合材料组织及性能研究(ZC2023183);河北省“三三三人才工程”资助项目(A202101026)作者简介:孙迎建(1987)，女，硕士，讲师，E-mail:2771985932 qq com。通信作者:刚建华(1979)，女，副教授，E-mail:55130534 qq com。doi:1011809/bqzbgcxb202304025离焦量对 SLM 成形 GNPs/AlSi10Mg复合材料性能的影响孙迎建1，2，刘禹1，2，刚建华3，石岩1，2，周利杰1，2(1 河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州061001;2 河北水利电力学院 机械工程系，河北 沧州061001;3 沧州师范学院 机械与电气工程系，河北 沧州061001)摘要:采用选区激光熔化成形技术制备 GNPs/AlSi10Mg 复合材料，研究成形过程中离焦量对复合材料组织形貌、硬度、摩擦磨损性能的影响规律。结果表明:随着离焦量从负离焦到正离焦，复合材料成形质量、微观组织及性能呈非对称变化，微观形貌为不同尺寸的胞状晶粒，离焦量为 4 mm 时，存在较多孔隙。当离焦量为 2 mm 时，复合材料成形质量较好，内部气孔较少，石墨烯分布较为均匀，与基体存在良好的界面结合，未出现明显的团聚效应;复合材料硬度较大为 178HV0 2，耐磨性较高，摩擦系数为 0 124 5，磨损损失量为 1 95 mg。关键词:选区激光熔化;离焦量;微观组织;摩擦;硬度本文引用格式:孙迎建，刘禹，刚建华，等 离焦量对 SLM 成形 GNPs/AlSi10Mg 复合材料性能的影响 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):179 185Citation format:SUN Yingjian，LIU Yu，GANG Jianhua，et al Effect of defocus amount on properties of GNPs/AlSi10Mgcomposites formed by SLM J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):179 185中图分类号:TJ05;TH117 3文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0179 07Effect of defocus amount on properties of GNPs/AlSi10Mgcomposites formed by SLMSUN Yingjian1，2，LIU Yu1，2，GANG Jianhua3，SHI Yan1，2，ZHOU Lijie1，2(1 Hebei Industrial Manipulator Control and eliability Technology Innovation Center，Cangzhou 061001，China;2 Department of Mechanical Engineering，Hebei University of Water esourcesand Electric Engineering，Cangzhou 061001，China;3 Department of Mechanical and Electrical Engineering，Cangzhou Normal University，Cangzhou 061001，China)Abstract:In this paper，GNPs/AlSi10Mg composites are prepared by selective laser melting technologyThe effects of defocus amount on the microstructure，hardness，friction and wear properties of thecomposites during formation are studied The results show that the forming quality，microstructure andproperties of the composites change asymmetrically from negative defocus to positive defocusThemicrostructure consists of cellular grains of different sizes There are many pores when the defocus is4 mm When the defocus amount is 2 mm，the composites have good forming quality with less internalpores The distribution of graphene is relatively uniform Without obvious agglomeration effect，there is agood interface bonding with the substrate The hardness of the composites is as high as 178 HV0 2 Thewear resistance is high，the friction coefficient is 0 124 5，and the wear loss is 1 95 mgKey words:selective laser melting;defocus amount;microstructure;friction;hardness0引言近年来，随着国家在航天航空、军工、电子等领域的不断探索，在纯金属及合金材料的单一性能或仅部分性能优异但尚未满足产品更轻质、性能更高制造要求的情况下，金属基复合材料(metal matric composites)逐渐成为当今社会发展的主要趋势1。在金属基复合材料中，铝基复合材料以其优异的比模量及比强度、轻质、耐磨损、耐高温、易加工等特点，已在各个要求耐磨性的领域内获得了应用2 4。随着石墨烯的制备及分散工艺不断取得进展，石墨烯/铝基复合材料已取得广泛的研究并进行了部分应用。研究结果表明在铝基体中仅添加少量石墨烯增强体便可显著提高材料的强度、硬度等力学性能，有效降低复合材料的摩擦系数，减少复合材料的磨损量，提高铝基复合材料在航空航天领域大型结构件及易磨损件的使用寿命5 6。由于石墨烯与铝基体的润湿性相差较大，采用铸造、搅拌摩擦、粉末冶金等传统成形方式加工石墨烯/铝基复合材料零件时，石墨烯易在基体中团聚，导致基体界面结合性能差，复合材料的力学性能降低7 8。选择性激光熔化成形(selective laser melting，SLM)技术不同于传统成形方式，是将金属粉末按三维轮廓信息逐层沉积叠加构造成三维物体，可实现结构复杂、个性化、含内部流道结构零部件的快速制造。同时，其快热快冷的成形方式有利于进一步细化晶粒，成形零件致密度高，可进一步提高复合材料的耐磨性9 10。采用 SLM 技术成形石墨烯/铝基复合材料有望满足航空航天、电子等高新技术领域对部件结构复杂性、轻质高强性的要求，因此具有非常重要的研究价值。影响 SLM 成形复合材料的工艺参数有离焦量、激光功率和扫描速度等，而离焦量是影响 SLM 成形质量的关键参数。离焦量是指成形过程中激光束的焦点与成形层的相对位置关系，也称激光焦点位置，可分为 3 种情况:正离焦时，激光束的焦点位置位于成形层的上方;当激光束的焦点穿透成形层到达已成形层内部时为负离焦;当激光束的焦点位于成形层时为零离焦，如图 1所示。本文采用选区激光熔化成形技术制备石墨烯/铝基(GNPs/AlSi10Mg)复合材料，研究在成形过程中激光离焦量对复合材料组织、硬度和摩擦磨损性能的影响规律。1试验部分1 1实验材料及制备本文采用球磨法将镀铝石墨烯和铝基粉末混合制备成复合粉末。通过在石墨烯表面镀覆铝粒子，制得镀铝石墨烯材料(如图2 黄色区域所示)，采用球料比6 1，球磨时1 5 h，转速 230 r/min 将镀铝石墨烯与 AlSi10Mg 粉末基体在真空环境中进行混合，获得镀铝石墨烯/铝基复合粉末，如图 2 所示，在 AlSi10Mg 粉末表面及颗粒间均匀分布着镀铝石墨烯颗粒，其中石墨烯含量为 1wt%，如表 1 所示。真空球磨完成后将镀铝石墨烯/铝基粉末置于烘箱中于 100 烘干 3 h 以去除复合粉末中的水分。采用雷尼绍 AM400 选区激光熔化成形机进行试样制备，设备激光器为动态聚焦光纤激光器，聚焦光斑直径为 70 m，最高功率为 400 W，扫描速度为1 200 mm/s。成形试样采用条带式扫描策略，条带宽度为10 mm，相邻层间条带扫描方向旋转 67。图 1SLM 扫描过程中不同离焦量示意图Fig 1 The Schematic diagram of different defocusamount during scanning图 2混合粉末的 SEM 形貌Fig 2 The SEM microstrucures of mixed powder081兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/表 1EDS 分析结果Table 1 The results of the EDS analyses(in wt%)Point noCAlTotalA42 957 1100B17 282 8100当激光功率为定值时，改变离焦量会影响光斑直径的大小，进而改变单位面积能量密度，影响复合材料的成形。为研究离焦量对选区激光熔化成形复合材料的成形质量及性能的影响规律，本文在激光功率为 300 W，扫描速度为 1 200mm/s 的情况下，选用 4、2、2、4 mm 组不同的离焦量制备复合材料，分析离焦量对复合材料成形质量、微观组织、硬度及磨损性能的影响规律。1 2试验方法试样经抛光腐蚀后采用 SU500 电子扫描显微镜(SEM)观察不同离焦量成形复合材料微观组织的变化;通过 X 射线衍射仪(XD，igaku D/max-rB)对复合材料物相进行鉴定;使用 HVS-1000 显微维氏硬度测试仪测量复合材料微观硬度，测试条件为加载载荷200 g，时间10 s，测量3 个点并取平均数。在常温无润滑情况下采用 HS-2M 往复摩擦磨损试验机对不同离焦量成形试样进行摩擦磨损试验，加载载荷 5 N，频率 2 Hz，摩擦距离 5 mm，摩擦副选用轴承钢 GCr15，硬度63HC，直径 5 mm，往复磨损时间 20 min。摩擦结束后用扫描电子显微镜(SEM)对磨损后的形貌进行分析。利用电子天平称量磨损前后试样质量(精度为 0 000 1 g)，计算磨损损失量。2结果与讨论2 1离焦量对 SLM 成形复合材料组织的影响图 3 所示为离焦量为 4、2、2、4 mm 的 GNPs/Al-Si10Mg 复合材料表面形貌。从图可以看出，正离焦与负离焦对复合材料成形质量的影响并非对称。扫描线离焦量为 4mm 时，复合材料表面呈现扫描线不连续导致凹凸不平现象(图 3(a)所示)，表面散乱分布着尺寸较大的孔隙(图 3(a)红色箭头所示)及细小的颗粒状物质(图 3(a)蓝色箭头所示)，部分区域存在较大突起。当离焦量增加至 2 mm 时，复合材料表面粗糙度降低，存在明显的凹陷，孔隙及飞溅颗粒交错分布，激光扫描线断裂程度增加，成形较差(图 3(b)所示)。可见，离焦量为负离焦时，随离焦量的增加复合材料表面出现凹凸不平程度增加，孔隙数量及金属颗粒逐渐增加，成形质量逐渐变差。当扫描线离焦量为 2 mm 时，复合材料