激光重熔颗粒增强铝基复合材料的组织演变及性能研究

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采用熔体反应法合成原位颗粒增强铝基复合材料(in-situ PRAMC)是一种适用于工业生产的制备手段,但是,该方法存在基体晶粒粗大、颗粒团聚现象严重、存在中间产物、副产物以及颗粒尺寸不均等缺陷,制约PRAMC性能的提升。为此,本文首次提出并探索激光重熔PRAMC的加工方法改善复合材料组织及性能。本文通过熔体反应成功合成Zr B2p/6061Al复合材料,XRD表征证明熔体净化技术有效去除了夹杂物。铸态材料呈现出颗粒团聚和均匀分散共存的微观组织,原因是颗粒在熔体中的沉降行为相对热扩散行为占据了主导地位。论文首先深入研究了道次搭接率、激光扫描速率及功率密度、材料冷却条件等加工参数对熔凝区域成型的影响规律。研究并分析了加工路径和保护气侧吹方向对熔凝区域成型的影响,讨论了复合材料熔凝区域的气孔敏感性。论文对激光重熔复合材料前后的显微组织进行对比。证明了颗粒分散均匀度随激光功率的上升而显著提升,液氮冷却进一步改善颗粒的微观分散均匀度。激光重熔后,铸态复合材料中原本均匀分散的颗粒呈现出沿晶分散,团簇体的大量减少并呈现出爆炸性定向分散。被激光直接辐照的颗粒将产生颗粒断裂现象。Zr B2颗粒和界面产生微观塑性变形生成高密度位错和亚晶结构。论文研究Zr B2颗粒对激光重熔快速凝固行为的影响。结果表明熔凝区域从底部向顶部分布呈现树枝晶、树枝晶向等轴晶的过渡和等轴晶的晶体形貌。液氮冷却提高晶粒细化的效果,同时也改变了界面附近结晶机制。被熔池对流分散的Zr B2颗粒在快速凝固过程中产生了钉扎晶界和异质形核作用,增强了晶粒细化。论文考察了复合材料性能:激光熔凝区域的硬度和耐磨性高于母材,熔凝区域内部硬度从顶部向底部逐渐降低。而液氮冷却条件进一步提升熔凝区域硬度及摩擦磨损性能。拉伸性能证明激光重熔提升了复合材料的抗拉强度和延伸率。极化曲线显示出激光重熔提升复合材料的耐腐蚀性能,且液氮冷却下的熔凝层具有更好的耐蚀性能。以上结论与晶粒细化、团簇体减少及颗粒均匀分散密切相关。论文针对超快脉冲激光制备复合材料表面微结构进行了初步研究,结果证明,由于激光干涉作用,当激光功率介于3.6-4.5 W时,复合材料表面形成了周期条纹状结构。这是大量纳米级的尖峰结构的有序组合,且尖峰的高度随着激光功率的增加而降低。激光功率密度上升导致熔化形貌,周围仍呈现条纹状结构。超快激光导致Zr B2由六角形和八角形转变为近圆形颗粒,呈现出随机分布特征。
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