SiC_%28p%29体积分数对SLM成形SiC_%28p%29_AlSi10Mg复合材料组织及力学性能的影响.pdf

第43卷第4期2023年8 月DOI:10.16185/.2023.04.302SiC,体积分数对 SLM 成形 SiCpA I Si 1o M g复合材料组织及力学性能的影响西安工业大学学报Journal of Xian Technological UniversityVol.43 No.4Aug.2023http:/陈焱，张长昭，党博，许军锋，坚增运（西安工业大学材料与化工学院，西安7 10 0 2 1)摘要：为了解SiC,体积分数对SLM成形SiCp/AISiloMg复合材料的力学性能的影响规律，本文通过改变SiCp/AlSiloMg复合材料中SiCp的体积分数，研究了不同SiCp体积分数下复合材料的显微组织及力学性能变化规律。研究结果表明：随着SiC,体积分数的增加，复合材料的中的冶金孔洞的增多及Si形貌的改变是其力学性能降低的主要原因。当SiCp体积分数为3%时，复合材料的抗拉强度及延伸率最高，分别达到417.3MPa和4.9%。关键词：激光选区熔化；SiCp/AISil0Mg复合材料；体积分数；抗拉强度中图号：TB333Effect of SiC,Volume Fraction on Microstructure and MechanicalProperties of SiCp/AISi1oMg Composites by SLMCHEN Yan,ZHANG Zhao,DANG Bo,XU Junfeng,JIAN Zengyun(School of Materials Science and Chemical Engineering,Xian Technological University,Xian 710021,China)Abstract:The paper studies how the change in the SiCp volume fraction influences the microstructure andthe mechanical properties of SiCp/AISiloMg composites fabricated by SLM.The results show that increasingSiC,volume fraction causes an increase in metallurgical pores and a change in Si morphology,which are themajor contributor to the degradation of the mechanical properties of the composites.When the SiCpvolume fraction is 3%,its tensile strength and ductility reach the maximum values of 417.3 MPa and4.9%respectively.Key words:selective laser melting;SiCp/AlSiloMg composites;volume fraction;tensile strengthSiC颗粒增强AlSiloMg复合材料因其高比强度、低的热膨胀系数、高比模量和良好的耐磨性，在文献标志码：A文章编号：16 7 3-9 9 6 5（2 0 2 3)0 4-0 36 2-0 7航空航天、汽车、光学、电子等工业领域具有广泛的潜在应用前景 1-2 。目前，由于熔体内的颗粒偏*收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 9基金资助：国家自然科学基金项目（519 7 116 6）。第一作者简介：陈焱（19 8 7 一），男，西安工业大学博士研究生，主要研究方向为增材制造，E-mail:。通信作者简介：坚增运（19 6 2 一），男，西安工业大学教授，主要研究方向为高性能铝基复合材料，E-mail:。引文格式：陈焱，张昭，党博，等.SiCp体积分数对SLM成形SiCp/AISiloMg复合材料组织及力学性能的影响 J.西安工业大学学报，2 0 2 3，43（4）：36 2-36 8.CHEN Yan,ZHANG Zhao,DANG Bo,et al.Effect of SiCp Volume Fraction on Microstructure and Mechanical Propertiesof SiCp/AISil0Mg Composites by SLMLJJ.Journal of Xian Technological University,2023,43(4):362-368.第4期析 3-4 和较高的孔隙率 5，铸造和粉末冶金等传统制造工艺在制造复杂几何形状的铝基复合材料(AlMatrixComposites，A M C s）零件时存在较大的局限性。激光选区熔化（Selective Laser Melt-ing,SLM)是一种可直接制备几何形状复杂的金属或金属基复合材料的增材制造技术 6-8 。因此，了解颗粒增强AMCs材料的微观结构特征和力学性能对获得高强高塑性的优良组合具有重要意义。在颗粒增强的AMCs中,SiCp密度低（3.2 1gcm-3）、硬度高、成本低，是SLM制备铝合金中最常见的增强颗粒。与传统工艺可以得到高体积分数（30%50%）的SiC/A1Si10Mg复合材料9 1相比，SLM工艺只能制备SiC，体积分数相对较低（10%15%）的复合材料，仍然面临许多挑战 10-12 。近年来，文献 13-15 和文献 10,12 系统研究了成形参数对SLM制备SiC颗粒增强AI-SiloMg材料组织和力学性能的影响。他们得出结论，成形参数（特别是激光功率和扫描速度）和颗粒尺寸强烈影响SLM制备的SiC/AISiloMg的最终组织、密度、孔隙率和力学性能。文献 16 对SLM成形拉伸试样的孔洞与裂纹的形成原因进行深刻分析。基于以上的研究,最终获得了SiC,增强铝基复合材料的SLM最优工艺参数。然而，SiC,/Al-SiloMg复合材料的抗拉强度和延伸率较AlSiloMg合金显著降低。为了解SiCp体积分数对SLM成形SiC,/AlSiloMg复合材料的力学性能的影响，本文研究了3%，6%和10%三种SiCp体积分数下ElementsA1质量分数/%Bal.陈焱，等：SiCp体积分数对SLM成形SiC,/AISiloMg复合材料组织及力学性能的影响长度8 0 mm的板材状，如图2(b)所示。表1AISi10Mg成分表Tab.1Chemical composition of AlSiloMg alloy powderSiMg9.480.27363SiCp/AISiloMg复合材料的微观组织和力学性能。1实验材料及方法1.1实验材料选取气雾化法制备的A1Si10Mg粉末（D50=30.5m），气流磨法制备的SiC颗粒（D50=7.3um),其中AlSi1oMg粉末为球形,SiC颗粒为不规则多边形，其成分和SEM图见表1及图1。将原始SiCp：A 1Si10 M g 粉末分别按照3：9 7，6:94，10:9 0（体积）进行称量，放人不锈钢罐中进行抽真空处理，再将其通过行星球磨机中进行球磨，分别制得体积分数为3%，6%，10%的SiC,/AlSi10Mg混合粉末。1.2实验设备实验设备为西安铂力特增材技术股份有限公司生产的SLM设备（BLT-S310），其配备有IPGYLR-500-WC光纤激光器，波长1.0 6 m，最大输出功率为50 0 W，以及由计算机控制的供粉系统，实验在进气压为6.9 bar，氧含量低于30 0 ppm的氩气保护下进行。图2（a）为实验扫描策略示意图，扫描策略采用了带状扫描方式，每层激光偏转角度为6 7。实验的工艺参数如下：激光功率为330W，激光扫描速度为130 0 mms-1，激光扫描间距为0.17 mm，层厚为0.0 3mm。根据AST-ME8-04标准，实验制备了拉伸试样为厚度6 mm，CuMn0.010.01Fe0.12Ni0.010.01ZnTi0.012Sn0.0150um(a）A I Sil0 M g 粉末50(b)Sic粉末图1实验材料SEM图片Fig.1SEM image of materials950m（c）Si C/A I Si 10 M g 混合粉末364西安工业大学学报第43卷nhlayer(0=nX67)3layer320113467(a）扫描策略图2 激光选区熔化（SLM）Si C/A I Si 10 M g 复合材料Fig.2Schematic of the experiment2实验结果2.1物相分析为了分析不同体积分数SiC,对试样物相的影响，对成形试样进行了XRD分析，图3为不同体积分数SLM成形SiCp/AISi1oMg复合材料的XRD图谱。每种图谱上都检测出了-Al的强衍射峰，此外还发现了 SiC与 Si的衍射峰并且随着 SiC体积分数的升高而，成形试样内部Si衍射峰与SiC衍射峰强度逐渐增大，Si衍射峰的增强主要是由于在高能激光的作用下，SiCp与基体之间发生了原位反应，使得一部分SiC熔化，Si峰强度增高。根据文献 17 的研究，SiC与液相熔融状态的A1在熔池温度高于16 7 0 K时会发生原位反应生成Al4SiC4，其化学反应方程式为4Al(1)+4SiC(s)Al SiC(s)+3Si(s)。(1)(11(TOTne/l20图3不同体积分数SiC,/AISiloMg复合材料的XRD图谱Fig.3XRD patterns of SiC,/AISiloMg compositeswith different SiC,volume fractions(0=3X67)2layer(0-2X67)1hlayer(0=67)AISiiSic(11E)O(OI).10%SiCp/AISi10Mg6%SiCp/AISil0Mg3%SiCp/AISil0Mg3040(b）成形样品Al,SiC4是一种强度高、熔点高、耐腐蚀的一种新相，在图3的图谱中40 45也有出现，其含量随着SiC体积分数的增高而增大，但由于其含量过少，峰值强度不高。虽然在高能激光的作用下，SiC颗粒与基体发生了原位反应，但由于SLM成型过程高冷却速率的影响，SiC颗粒无法完全反应，且随着SiC体积分数的升高，基体内部有着大量的高熔点SiC颗粒,因此图谱中出现了SiC的衍射峰。通过对比三组不同SiC体积分数复合材料的XRD图谱发现，-Al的峰位置随着SiC体积分数的增大向右发生了略微的偏移，根据布拉格定理，衍射峰所对应的衍射角与相应的晶面间距关系为2sinld hl=n(n=1,2,3,.),式中:为衍射角;dkl为晶面间距；入为衍射波长，本次实验采用的铜靶，其入值为1.5451nm，室温下-Al为面心立方结构，晶格常数=0.40496nm,其晶面间距与晶格常数之间关系为dhkl=aVh?+k?+12当衍射峰向右移动时，衍射角度增加，对应晶面间距减小，说明此时的-A1发生了晶格畸变，其原因可能是SLM成型过程温度梯度非常大，容易引起热应力集中导致试样内部存在大量残余应力从而引起晶格畸变。2.2显微组织图4为SLM成形的不同SiC体积分数复合材料试样的金相照片，（a），（b），（c)分别为SiC体积506020/)(2)(3)7080分数为10%，6%，3%时SiC,/AISi10Mg复合材料的金相照片。由图可以观察到，所有成形内部的熔池均为长条状，且交叉熔池之间的夹角大约为67,这是由于激光在每层扫描结束后会偏转6 7 所第4期造成的，相邻熔池之间孔隙率较小，说明激光搭接率适宜，熔融的液相能够完全填充相邻熔池之间的空隙。随着SiC体积分数不断增大，成形试样内部开始出现冶金孔洞,如图4(b)和4(c)中所示，这些孔洞大多形状不规则，且一般出现在增强颗粒周围或熔池边界处，这些冶金孔洞主要是由于SiC与基体对于激光的吸收率不同，随着SiC