激光沉积制造SiC_ZL1...复合材料组织及力学性能研究_吕长生.pdf

哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University ISSN 1006-7043,CN 23-1390/U 哈尔滨工程大学学报网络首发论文哈尔滨工程大学学报网络首发论文 题目：激光沉积制造 SiC/ZL114A 复合材料组织及力学性能研究 作者：吕长生，王立权，伊俊振 收稿日期：2021-12-31 网络首发日期：2023-01-03 引用格式：吕长生，王立权，伊俊振激光沉积制造 SiC/ZL114A 复合材料组织及力学性能研究J/OL哈尔滨工程大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。激光沉积制造 SiC/ZL114A 复合材料组织及力学性能研究 1 激光沉积制造 SiC/ZL114A 复合材料组织及 力学性能研究 吕长生1，王立权1，伊俊振2（1 哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2 沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110136）摘 要：为了研究铝基复合材料送粉式激光沉积制造成形工艺，本文开展了 SiC/ZL114A 铝基复合材料的激光沉积制备。采用光学显微镜、电子万能试验机对复合材料的组织及力学性能进行分析，研究了激光沉积工艺参数和 SiC 颗粒含量对显微组织及拉伸性能的影响。结果表明：复合材料的组织由 ZL114A 基体组织和 SiC 颗粒组成，随着激光功率密度的增加，沉积层中部的 SiC 含量增多，但表面的 SiC 含量减少。经多道多层沉积后，使 SiC 颗粒重新分布，SiC 颗粒在沉积层中分布越均匀；当 SiC 颗粒含量为 10%时，材料的强度最高，随 SiC 颗粒含量的增加，SiC/ZL114A 复合材料的强度和塑性持续下降。关键词：激光沉积制造；铝基复合材料；ZL114A 合金；SiC 颗粒；激光功率；扫描速度；显微组织；拉伸性能 Doi：10.11990/jheu.202112065 中图分类号：TG146.2 文献标识码：A Microstructure and mechanical property of SiC/ZL114A composite fabricated by laser deposition manufacturing LYU Changsheng1，WANG Liquan1，YI Junzhen2 （1 School of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin,150001,China;2 School of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136,China）Abstract：SiC/ZL114A aluminum matrix composites were prepared by laser deposition manufacturing in order to study the process of powder feeding laser deposition for aluminum matrix composites,and the microstructure,and mechanical property was deeply studied by the optical microscope and electronic universal testing machine.The effects of laser deposition parameters and SiC particle content on microstructure and tensile properties were investigated.The results show that the deposited microstructure consists of ZL114A matrix structure and SiC particles.With the increase of laser power density,the SiC content in the middle of the sedimentary layer increases,but the SiC content on the surface decreases.After multi-channel and multi-layer deposition,the SiC particles are redistributed,and the SiC particles are more evenly distributed in the sedimentary layer.When the SiC content is 10%,the strength of SiC/ZL114A composite is highest,and with the increasing of SiC content,the strength and plasticity decreases continuously.收稿日期收稿日期：2021-12-31 作者简介：作者简介：王立权，男，教授，博士生导师 通信作者：通信作者：王立权,E-mail： 网络首发时间：2023-01-03 11:12:19网络首发地址：https:/ Keywords：laser deposition manufacturing;Al-based composite;ZL114A alloy;SiC particle;laser power;scanning velocity;microstructure;tensile property ZL114A（Al-Si-7Mg）铝合金是常见的 Al-Si 系亚共晶合金1，具有良好的铸造性能、焊接性能以及综合力学性能，在航空航天、汽车等领域承受高载荷的各类结构件中得到了广泛的应用2-3。由于综合了铝的金属性能和增强颗粒的陶瓷性能，颗粒增强铝基复合材料具有耐磨性好、热导率高、热膨胀系数低和尺寸稳定性好等特性4。在铝基复合材料中，常采用的颗粒增强体主要包括 SiC、Al2O3、SiO2等。SiC 颗粒具有高强度、高硬度、高模量、低膨胀系数等诸多优点5，是当前理想的增强体。铝基复合材料常见的制备方法主要有粉末冶金法、搅拌熔铸法、挤压铸造法和喷射沉积法等6。Zhao 等7采用激光选区熔化工艺制备了 SiC 增强铝基复合材料，并对其形成机理和组织特点进行了研究。饶项炜等8对选区激光熔化成形碳纳米管增强铝基复合材料的成形机制及力学性能进行了研究，结果表明，随激光能量密度的增加，碳纳米管增强铝基复合材料的致密度得到了显著提升。Simchi 等9利用激光烧结技术制备了 SiC 增强 A356复合材料，研究了扫描速率、扫描间距、烧结气氛和SiC 粒径（7 和 17m）和含量（高达 20 wt%）对致密度的影响。目前，针对送粉式的激光沉积制造成形工艺研究相对较少。对铝合金复合材料激光沉积制备工艺的优化以及增强相的形态、含量控制等关键基础问题尚缺乏深入研究。本研究以 SiC 颗粒为增强体，采用送粉式激光沉积制造工艺制备 SiC 颗粒增强铝基复合材料，重点研究成形工艺以及增强颗粒的含量对材料的组织及力学性能的影响，为铝基复合材料的激光沉积制造提供实验数据和参考，促进铝基复合材料在航空航天等复杂领域的应用。1 激光沉积实验材料与方法 1.1 沉积材料与基体沉积材料与基体 实验以经 T6 处理的大块 ZL114A 铝合金为基体，切成尺寸为 200 mm100 mm30 mm 块材待用，用砂纸将基体表面打磨以去除氧化层，并用丙酮清洗后吹干，实验前需将基板进行预热处理，缓解温度梯度对沉积样品组织及性能的影响。沉积实验所用粉末为ZL114A 铝合金球形粉末（Si:6.507.50,Mg:0.450.60,Ti:0.100.20），该粉末由真空等离子旋转电极法制备，颗粒度范围为 40160 m。实验所用 SiC 颗粒的尺寸为 20200 m。为使 ZL114A 铝合金粉末与 SiC 颗粒混合均匀，采用行星式球磨机（F-P8L）将 ZL114A 铝合金粉末与不同含量（10 wt%，20 wt%，30 wt%）的SiC 颗粒进行球磨处理，磨球为 5 mm 的 ZrO2陶瓷球，根据相关文献报道4，球磨球料比设置为 5：1，为避免 ZL114A 铝合金粉末的氧化，选用低速球磨，球磨机转速设置为 50 r/min，球磨时间为 6 h。1.2 激光沉积实验激光沉积实验 采用自主搭建的 LDM-800 激光沉积制造系统进行 SiC/ZL114A 复合材料的沉积制备，该系统主要包括 6.0 kW 光纤激光器、三轴运动系统、同步送粉系统以及氩气保护箱等。采用多参数组合激光沉积单道工艺实验对激光功率和扫描速度进行优化，实验所用激光器的光斑直径为 3 mm，激光功率 1.22.0 kW，扫描速度 37 mm/s，单道实验每道次间停留 15 s，以缓解沉积过程中热累积对组织及性能的影响。由于该铝合金粉末较轻，若载气量过大会使送粉嘴送出的粉末难以汇聚，造成粉量流失，降低粉料利用率；若载气量过小，会导致粉料无法均匀送出。通过借鉴相关研究成果10，本研究选定的送粉量为 2 g/min，载气压力为 0.2 MPa，载气流量为 2.2 L/min。1.3 金相分析及硬度测量金相分析及硬度测量 沿垂直于激光扫描方向截取沉积件制备金相试样，经镶嵌、预磨和抛光后，采用 HF+H2O（体积比 1:10）的腐蚀液腐蚀 1015 s。采用 OLYMPUS-GX51 型光学显 微 镜 对 金 相 试 样 进 行 显 微 组 织 分 析；采 用HVS-1000A 型显微硬度计测定试样的显微硬度，加载载荷为 100 g，加载时间为 10 s。1.4 拉伸性能分析拉伸性能分析 通 过 采 用 局 部 沉 积 制 造 的 方 法10进 行SiC/ZL114A 复合材料拉伸性能试件的制备，具体的制备及取样过程如图 1 所示，采用机械加工的方式将ZL114A 基体（86 mm40 mm15 mm）加工成贯通槽形式，具体尺寸如图 1（a）所示，采用多道多层、短边往复扫描的方式对不同 SiC 含量的 SiC/ZL114A 复合材料进行激光沉积制备，所用激光功率为 1.8 kW，扫描速度为 5 mm/s。拉伸样品取样示