【摘 要】
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金属材料激光增材制造技术是以高能量密度激光束作为热源,通过激光熔化金属粉末（或丝材）后形成微小熔池,在三维空间内无限堆积凝固成复杂结构实体零件的快速制造过程。在这一过程中,激光局部作用下的材料快速熔化与熔池快速凝固阶段反复交替进行,从而使成形构件表现出基本无化学元素偏析、晶粒极其细小的非平衡凝固组织特征。近年来,通过激光增材制造灵活而高效地制备铝基复合材料,已成为提高铝合金综合性能的重要手段。本文
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金属材料激光增材制造技术是以高能量密度激光束作为热源,通过激光熔化金属粉末（或丝材）后形成微小熔池,在三维空间内无限堆积凝固成复杂结构实体零件的快速制造过程。在这一过程中,激光局部作用下的材料快速熔化与熔池快速凝固阶段反复交替进行,从而使成形构件表现出基本无化学元素偏析、晶粒极其细小的非平衡凝固组织特征。近年来,通过激光增材制造灵活而高效地制备铝基复合材料,已成为提高铝合金综合性能的重要手段。本文借助激光增材制造结合原位合成方法制备铝基复合材料,以期为激光增材制造原位合成复合材料提供理论和实验依据。对于铝基复合材料而言,尽管外加增强相法可以提升异位复合材料的部分性能指标,但增强相与基体之间较差的润湿性以及二者的热膨胀系数等差异,将不可避免地恶化复合材料的其它性能。鉴于此,本文针对激光增材制造原位合成铝基复合材料的微结构特征与制备机理进行了系统研究。以B4C-Ti-Al Si10Mg为原位化学反应体系,通过选区激光熔化工艺制备了原位（Ti B2+Ti C）/Al Si10Mg基复合材料。重点讨论了不同成分配比下的复合粉末特性,以及所制备复合材料的物相含量、晶格常数等微结构演变规律与力学行为变化特征。在此基础上进一步优化了粉末成分配比,并采用粉末包覆工艺制备了反应用复合粉末。对比分析了包覆条件对复合粉末特性与复合材料的成相特点、原位增强相特征等微结构的影响。基于热力学理论,阐述了激光诱导下原位复合材料的合成与制备机理。研究结果表明,通过较低的激光能量输入(119 J·mm-3)和自生的负反应焓变(-760.234 k J·mol-1),能够成功制备原位（Ti B2+Ti C）/Al Si10Mg基复合材料。物相定量结果显示复合材料中存在的过渡化合物Ti3Si C2的含量与成分配比正相关,最高值为18 wt.%。通过图解外推法测得α-Al基体相的晶格常数a从0.40466 nm逐渐增大至0.40528 nm,研究发现铝基体中的晶格畸变程度与溶质Si原子从溶剂Al晶格内以置换形式析出,并进入原位反应体系内形成过渡相的现象有关。在化学反应热效应的促进下,凝固后的熔池形态发生显著变化,复合材料的平均熔宽和熔深较Al Si10Mg合金分别增加了104%和94%。在力学性能方面,随着复合材料中自生陶瓷相含量的增加,显微硬度大幅提高,拉伸断口形貌显示其断裂特征由韧性断裂逐步向脆性断裂转变。说明陶瓷与基体之间的界面易成为应力集中的薄弱区域,使断裂失效在复合材料颈缩之前发生。进一步地,粉末包覆工艺在提升复合粉末的激光吸收能力和原位化学反应效率的同时,可以有效避免过渡化合物的产生,进而优化复合材料的组织结构。TEM表征结果显示原位Ti B2和Ti C相的晶粒尺寸约为150 nm,在其与残留B4C之间形成了B、C元素的过渡区域,造成位于该区域的铝基体内部产生少数集中位错。在热力学方面,铝合金熔体内有限的Ti源仅能够形成Ti B2而非Ti B,此时体系中极低的反应摩尔Gibbs自由能ΔGm表明为最佳反应路径,且有利于纳米级原位增强相的形成。
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