原位自生Al2O3陶瓷增强Al基复合材料SLM成形及组织性能调控研究

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Al基复合材料具有室温强度高、塑性好、耐磨损和高温性能优异等特点,广泛应用于航空航天领域。然而,Al基复合材料制备过程中的增强相分布不均匀、和基体润湿性差以及易发生有害反应产生脆性相等问题是制约该类材料工程应用的瓶颈。近年来发展起来的激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术因其激光小熔池具有对流强烈,加热、冷却速度快的特点,从而可促进增强相的均匀化并控制有害反应的进行,有望解决上述Al基复合材料制备难题。本文以AlSi10Mg和纳米ZnO为原料,采用SLM成形技术制备原位反应生成Al2O3陶瓷增强Al基复合材料,并系统的研究了复合粉体制备工艺,SLM成形工艺、纳米ZnO含量及热处理工艺对复合材料致密度、微观组织、物相组成及力学性能的影响规律,为SLM成形原位陶瓷增强Al基复合材料提供了理论依据。主要研究结果如下:(1)通过球磨工艺法制备不同陶瓷相含量的ZnO/AlSi10Mg复合粉体,借助SLM成形工艺中激光能量使ZnO和铝合金基体原位反应生成制备Al2O3陶瓷,对基体进行增强。球磨工艺使制备的ZnO/AlSi10Mg复合粉体形成具有一定粗糙的表面,使得激光在粉末之间多次反射,降低了单一AlSi10Mg对激光的反射率。SLM成形过程中极快的冷却速率和熔池内Marangoni对流的存在,胞状体Al基体边界与网状Si的交界处生成nm-Al2O3陶瓷增强相。Al2O3增强相的引入和极快的冷却速率使得材料内部产生Orowan强化效应、固溶强化效应、和细晶强化效应,并可抑制有益相的气化蒸发。当ZnO含量为1wt%时,成形复合材料力学性能为:屈服强度200.7±7 MPa、拉伸强度305.2±22 MPa、断裂延伸率9.2±2%。(2)为进一步优化复合材料组织及性能,对其热处理工艺进行了研究。结果表明在热处理后,Al基体中部分Si元素析出,析出Si逐渐团聚并长大,由于Al2O3热稳定性能较好,热处理前后并未发生改变,基体中Zn元素均匀分布和明显气化减少,并未产生偏聚。在退火热处理后,随着退火温度上升,Si析出数量增加,复合材料韧性小幅增加,而拉伸性能及硬度则有所降低;时效热处理后,由于时效硬化效应生成Mg2Si相,复合材料硬度小幅增加,但韧性有所降低;固溶处理后,硬度及拉伸性能大幅下降;固溶时效处理后,硬度有所恢复,但还是低于未处理时。通过控制ZnO含量、成形工艺参数及后续热处理工艺,可以实现对Al2O3陶瓷和Zn元素的调控,通过Zn元素固溶实现Al基体的原位合金化,转变成Al-Si-Mg-Zn合金,进而有望实现原位Al2O3陶瓷增强Al基复合材料制备,促进Al基复合材料在航空航天领域的应用。
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