0 引言

鋁基復(fù)合材料兼?zhèn)滗X合金與陶瓷的優(yōu)良特性，具有質(zhì)量 輕、比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性高，且耐 高溫、抗疲勞磨損等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽 車、熱交換設(shè)備等領(lǐng)域。選區(qū)激光熔化( SLM) 技術(shù)作為一 種新型激光快速成形技術(shù)，其獨(dú)特的快速加熱和冷卻過(guò)程有 利于成形材料顯微組織的細(xì)化和性能的提高，采用 SLM 技術(shù) 成形 Al 基復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)

采用浙江 亞 通 焊 材 有 限 公 司 制 備 的 納 米 WC 和 AlSi10Mg 合金粉末為 SLM 沉積材料，通過(guò)激光粒徑分析儀測(cè) 得上述兩種粉末粒徑分別為 100 ～ 200 nm、15 ～ 53 μm，AlSi10Mg 粉末元素含量如表 1 所示。利用混料機(jī)混合兩種粉 末，混料時(shí)間為 20 min，混合粉末 SEM 照片與粒徑分布如 圖 1 所示。由圖 1 可知，混合粉末分布均勻，球形度良好，從 而保證了成形時(shí)粉末的流動(dòng)性。為減少粉末吸潮對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使用 DZF-6050B 型真空干燥箱(上海一恒DZF-6050B臺(tái)式真空干燥箱)在 110 ℃ 真空條件 下( 0. 2 Pa) 對(duì)混合粉末進(jìn)行 5 h 的烘干處理。通過(guò)選區(qū)激光 熔化設(shè)備 AFS-M260 制備 WC /AlSi10Mg 復(fù)合材料試樣，成形 環(huán)境為氬氣氛圍，成形工藝參數(shù)如表 2 所示。實(shí)驗(yàn)中分別成 形尺寸為 15 mm×15 mm×15 mm 的塊狀試樣和七組標(biāo)準(zhǔn)疲勞 拉伸試棒，疲勞拉伸試棒尺寸和形貌如圖 2 所示。


2 結(jié)果與分析

可見(jiàn) SLM 成形的試樣組織致 密，未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔與裂紋; 還觀察到大量熔池、熔敷線、 相鄰熔敷線的搭接區(qū)及層間的重熔區(qū)。熔池形貌呈各向異 性，熔池橫向呈熔滴滾動(dòng)延伸結(jié)構(gòu)，排列整齊，但長(zhǎng)度不一， 而寬度分布較均勻，約 190 μm; 熔池縱向呈魚(yú)鱗狀分布，深度 約 138 μm。激光光斑直徑和鋪粉厚度約 75 μm、50 μm，均小 于熔池寬度和深度，表明在該工藝參數(shù)下，激光能量密度高， 導(dǎo)致激光光斑周圍粉末熔化并向四周流動(dòng)，使熔寬約為光斑 直徑的 2 倍; 激光穿透深度深，約為鋪粉層厚的 2. 5 ～ 3 倍，各 層均出現(xiàn)多次重熔，層間結(jié)合更為緊密，減少了缺陷，提高了 試樣的成形質(zhì)量。觀察到該處為粗大胞狀枝晶，而 熔池內(nèi)部為細(xì)小樹(shù)狀枝晶，熔池內(nèi)部和邊界晶粒的生長(zhǎng)方式 由溫度梯度 G 與凝固速度 V 的比值( G/V) 決定。枝晶呈 典型的外延生長(zhǎng)特性生長(zhǎng)，即枝晶沿熔池底部向頂部生長(zhǎng)， 但同時(shí)存在多個(gè)枝晶生長(zhǎng)方向不一致的亞結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵?實(shí)際凝固過(guò)程中，α-Al 枝晶將選擇與最大溫度梯度夾角最小 的〈100〉取向生長(zhǎng)。測(cè)得熔池邊界和內(nèi)部平均一次枝晶 間距 λ1 分別約為 1. 2 μm、0. 8 μm，熔池邊界幾乎不存在二次 枝晶，內(nèi)部出現(xiàn)較發(fā)達(dá)的二次枝晶，平均二次枝晶臂間距 λ2 約 0. 4 μm。

3 結(jié)論

( 1) SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了幾乎無(wú)缺陷的 AlSi10Mg 復(fù)合材料 的制備，該復(fù)合材料的致密度可達(dá)到 95%以上。晶粒組織細(xì) 小，熔池邊界為胞狀枝晶，內(nèi)部為樹(shù)狀枝晶，兩者枝晶間距 λ1 分別約為 1 μm、0. 6 μm，二次枝晶不發(fā)達(dá)。枝晶在生長(zhǎng)方向 上呈典型的外延生長(zhǎng)特性，沿熔池底部向頂部生長(zhǎng)。
( 2) SLM 成形 AlSi10Mg 復(fù)合材料試樣組織分為三個(gè)區(qū) 域: 粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和熱影響區(qū)，對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均 α-Al 基體尺 寸分別約為 1. 5 μm、0. 6 μm、1. 0 μm，共晶 Si 相寬度變化不 明顯，寬度均在 0. 5 μm 以下; 對(duì)應(yīng)區(qū)域的 Al-Si 共晶含量分 別為( 40±3) %、( 37± 4) %、( 30± 2) %，大部分 Si 以過(guò)飽和形式固溶于 Al 基體中。
( 3) SLM 成形 AlSi10Mg 復(fù)合材料試樣中的 Al、Si、Mg 三 種元素分布均勻，而 W、C 兩種元素在晶界富集，且部分 WC 在成形過(guò)程中發(fā)生溶解擴(kuò)散式燒損。
( 4) SLM 成形 AlSi10Mg 復(fù)合材料試樣的疲勞壽命分布 服從威布爾分布，試樣壽命主要集中在( 1. 3 ～ 2. 8) × 105 之 間，壽命達(dá)峰值之后試樣的破壞率逐漸下降。復(fù)合材料疲勞 斷口具有解理斷裂特征，試樣存在嚴(yán)重的夾雜，使得疲勞裂 紋源萌生于試樣次表層。故 SLM 成形技術(shù)對(duì)粉末的質(zhì)量提 出很高的要求，否則會(huì)因?yàn)槌煞植痪腚s質(zhì)，影響試件的 服役壽命。