AlSi10Mg掺入CNTs激光选区熔化制备及其工艺性能研究

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激光选区熔化技术制造的具有复杂几何形状Al Si10Mg样件由于其重量轻、热膨胀率低、力学性能好,在航空航天、汽车等领域内有着广泛的应用需求。虽然激光选区熔化Al Si10Mg合金的强度、硬度有着大幅度的提高,但是相比于钛合金、不锈钢,其强度、硬度还比较低,同时延展性较差,限制了其广泛的应用。为了解决Al Si10Mg合金强度、硬度低,延展性差的缺点,使其得到更广泛的应用。研究人员通过向Al Si10Mg中添加纳米材料、颗粒材料,形成使其即具有重量轻、热膨胀率低、焊接性好,同时强度、硬度高、延展性好的铝基复合材料。目前,虽然对铝基复合材料激光选区熔化进行了一些研究,但是铝基复合材料激光选区熔化成形仍然处在发展阶段。碳纳米管(CNTs)作为一种新的纳米增强材料,目前在国内较少有利用激光选区熔化成形CNTs-Al Si10Mg复合材料的研究报道。本文首先以Al Si10Mg粉末作为研究对象,采用激光选区熔化技术,讨论不同扫描速度对试样成形的影响,得到最优的实验参数。然后激光选区熔化得到CNTs-Al Si10Mg复合材料成形良好的试样,利用OM、XRD、SEM等仪器对试样内部的微观组织、物相成分等进行系统分析研究,结合硬度、拉伸等试验数据,对微观结构和性能之间的关系进行分析,得到以下结论。对Al Si10Mg激光选区熔化,得到扫描速度对熔宽、熔深、深宽比、孔隙类型、孔隙率及表面粗糙度的影响规律,分析后得到最佳工艺参数激光功率160W,扫描速度800mm/s,扫描间距H=70μm,层厚L=20μm。利用扫描电镜对比CNTs-Al Si10Mg试样XY平面和XZ平面中的微观组织,发现在不同平面上的微观组织不同,并且在XY平面熔道内部和搭接处以及XZ平面熔池的内部和边界的晶粒大小不同。XZ平面的底部以及中上部晶粒的大小和取向不同。利用透射电子显微镜对CNTs-Al Si10Mg试样分析后发现在试样内部存在长度在300-400nm长度的管状碳纳米管,碳纳米管沿着晶粒的边界分布。物相分析表明在CNTs-Al Si10Mg试样中除了α-Al相以及析出的共晶Si外,在α-Al相的晶界处发现了长为533nm,宽为63nm的纳米级管状结构,分析后认为其是外壁覆盖有Al4C3的碳纳米管。CNTs-Al Si10Mg试样在XY平面上的硬度和在XZ平面上的硬度不同,但都高于激光选区熔化及和铸造Al Si10Mg。同时CNTs-Al Si10Mg试样的拉伸性能也得到了大幅度的提高,断口形貌为解理台阶,在台阶处存在着大量的小韧窝。对激光选区熔化CNTs-Al Si10Mg强化机理分析,认为向Al Si10Mg中加入碳纳米管后对材料的强化方式有三种:细晶强化、第二相强化及载荷转移强化。这三种强化方式共同作用提高了铝基复合材料的力学性能。
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