选区激光熔化制备Ni-TiB2金属陶瓷工艺与性能研究

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陶瓷颗粒增强金属基复合材料既有金属材料优良的延展性和导电性,还具备陶瓷相优异的硬度和耐磨性能,因此陶瓷金属基复合材料得到了国内外学者们的广泛关注。本文利用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术成功制备了TiB2(0vol.%、5vol.%、10vol.%、15vol.%)增强镍复合材料。首先,本文系统的研究了金属镍的SLM成形工艺。分析了激光线能量密度与熔道形貌的关系,以连续稳定熔道的工艺参数范围作为制备金属镍块体材料的基础数据,对不同工艺参数下的金属镍块体的表面形貌、致密度、微观组织演变及拉伸性能进行了研究,并建立出工艺参数-成形质量-显微组织-机械性能之间的关系。经单熔道和块体实验结果可知,SLM成形金属镍块体的最优参数为:激光功率为215W,激光扫描速度为960mm/s,线扫描间距为0.11mm,此工艺参数下对应的粗糙度、致密度、抗拉强度、屈服强度以及平均断后延伸率分别为10.5μm、99.6%、420MPa、345MPa以及31%,断口为韧性断口。基于上述结果,本文还研究了TiB2/Ni复合材料SLM成形工艺。研究发现:随着TiB2含量的增加,TiB2/Ni复合材料的孔隙率逐渐升高,相对密度降低。随着激光线能量密度的增加,TiB2/Ni复合材料的相对密度呈现先上升后下降的趋势,且扫描面(X-Y面)成形质量优于成形面(Y-Z面)的成形质量。结果显示:在激光线能量密度为215J/m时,Ni-5vol.%TiB2复合材料的成形质量最优,其表面粗糙度、相对密度分别为13.04μm、99.13%,X-Y面和Y-Z面的孔隙率最低,分别为0.30%和1.49%。最后,研究并分析了TiB2/Ni复合材料的力学性能。结果表明,TiB2体积分数对试样摩擦性能的影响大于激光线能量密度。当激光功率为140W,扫描速度为650mm/s,扫描间距为0.11mm时,5vol.%的TiB2颗粒增强相可显著提高金属镍的综合力学性能,其X-Y面和Y-Z面维氏硬度分别为354.92HV0.2和349.37HV0.2。Ni-10vol.%TiB2复合材料的X-Y面和Y-Z面维氏硬度分别为548.47HV0.2和525.69HV0.2,其硬度是纯Ni的3.32倍。Ni-5vol.%TiB2复合材料摩擦系数和磨损率分别为0.4511和8.361?10-6mm3N-1m-1,磨损轮廓宽度和面积分别为1.167μm和471.585μm2,与纯Ni相比,其磨损率降低了90%。
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