激光粉末床熔融(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料的显微组织与力学性能

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激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)是应用最广泛的增材制造技术之一,适合生产高性能的复杂零部件。LPBF制备的铝基复合材料近年来取得较大进展,AlSi10Mg合金具有良好的LPBF加工性,常用作铝基复合材料的基体材料。颗粒增强铝基复合材料同时具有增强颗粒和铝合金的优点,具有密度小、比强度高等一系列优势,广泛运用于航空航天领域。但单种颗粒对AlSi10Mg合金的增强效果有限,而且往往会使复合材料塑性降低。本文向AlSi10Mg粉末中同时添加纳米TiB2和纳米TiC两种增强相,旨在通过协同增强的方式同时提高材料的强度和塑性等力学性能,最终制备出具有优良综合力学性能的(TiB2+TiC)/AlSi10Mg铝基复合材料。本文采用低能球磨法制备(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合粉末,将制备的复合粉末用于LPBF成形。探究不同的纳米TiB2和TiC添加量对(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料显微组织和力学性能的影响,从而得到最优的TiB2和TiC添加量。在此成分下,探究不同的LPBF工艺参数对成形试样相对密度的影响,从而得到最优的LPBF工艺参数,结果表明:在经过成分优化和工艺参数优化之后,(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料的综合力学性能优异,抗拉强度达到552.4±12.1 MPa,伸长率达到12±0.6%,分别比AlSi10Mg合金提升了40.3%和166.7%,平均晶粒尺寸由12.1μm细化至1.5μm。对比分析了(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料、单种颗粒增强的AlSi10Mg复合材料和AlSi10Mg合金显微组织和力学性能。随着TiB2和TiC颗粒的加入,在试样中未检测到其它新相的生成,说明TiB2和TiC具有高稳定性,未与AlSi10Mg基体材料发生反应。TiB2和TiC主要位于晶界处,少量位于晶粒内部。TiB2和TiC在基体中总体分布比较均匀,仍有少量团聚。(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料相比于AlSi10Mg合金的显微硬度、抗拉性能和摩擦磨损性能均有显著提升,并且提升效果优于单种颗粒增强的AlSi10Mg复合材料。对比分析了AlSi10Mg试样和(TiB2+TiC)/AlSi10Mg试样疲劳寿命和疲劳断口,并采用USRP对复合材料进行表面强化处理,实验结果表明:增强颗粒的加入并没有提升材料的疲劳性能,其疲劳寿命反而略有下降。采用合适的USRP处理对(TiB2+TiC)/AlSi10Mg复合材料进行表面强化后,该材料的疲劳寿命在不同应力水平下提升几十倍至上百倍,其疲劳强度相比于USRP处理前提升22.4%。USRP处理能够减少试样表面缺陷,细化表层显微组织,减少或消除试样的表面裂纹源,从而显著提高其疲劳性能。
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