Al基复合材料选区激光熔化成形机理及摩擦磨损性能研究

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本课题采用先进的选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺成形球磨均匀的Al2O3/Al和Al2O3/AlSi10Mg混合粉末,从而成功制备了Al2O3/Al以及原位Al2Si4O10/Al复合材料试样。研究了陶瓷颗粒增强Al基复合材料的SLM成形工艺,探讨了SLM工艺参数对AMCs试样物相、致密度、显微组织、硬度及摩擦磨损性能的影响。进而优化工艺参数,获得最佳性能的材料。在以上基础上,进一步调研了择优化参数下成形的Al2Si4O10/Al复合材料试样的摩擦磨损性能。得出以下主要结论:针对Al2O3/Al复合材料的SLM成形,当激光线能量密度(η)较低时,SLM成形的Al2O3/Al试样冶金缺陷较多,致密度较低,断裂不连续的Al2O3增强相发生严重团聚现象,且与Al基体界面结合较弱,成形试样硬度及耐磨性较差。合理地增加η至236 J/m,试样表面光滑、致密,无明显冶金缺陷,长条状Al2O3增强相显著细化,分布均匀,且与Al基体具有良好的界面结合。此时成形试样性能优异,平均显微硬度值高达175 HV0.1,摩擦系数和磨损率分别低至0.33和9.78×10-5 mm3 N-1 m-1。针对原位Al2Si4O10/Al复合材料的SLM成形,当η较低时,Al2Si4O10增强相之间结合性较差,并呈现不均匀的分布,而当η较高为350 J/m时,晶粒发生严重粗化,以上都降低了成形试样的性能。择优化η为289 J/m时,在激光核心区,Al基体以胞状枝晶形态生长,环状Al2Si4O10增强相之间结合良好,分散均匀,同时其晶粒显著细化。在激光重熔区内,Al基体呈现柱状枝晶形貌,环状Al2Si4O10增强相略微粗化,同时Al基体上分散着大量细小的Al2Si4O10增强颗粒,此时成形试样的纳米硬度和摩擦磨损特性得到显著提高。针对原位Al2Si4O10/Al复合材料的摩擦磨损实验,载荷的增加使试样表面颗粒破损程度增大,进而导致了严重的三体磨粒磨损,加剧了试样表面的磨损。滑移速度越大,摩擦热效应及热量聚集越明显,表面温升越高,从而促进了硬质Al2O3的生成及Fe2O3的转移,提高了AMCs试样的摩擦磨损特性。长时间摩擦磨损中,摩擦系数值在0.65和0.55之间波动。磨损后期,摩擦热量发生积累,导致试样表面硬质Al2O3反应物和Fe2O3转移层的数量大大增加,因此降低了摩擦系数的波动程度。
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