论文部分内容阅读
进入社会发展的新时代,国防军工、航空航天、交通运输等关系国计民生的重要领域中产品设计日益复杂,对材料性能的要求也不断提升,传统材料成型工艺难以同时满足复杂结构件制造需求并达到性能指标,急需寻找新的材料成型手段。激光选区熔化技术(SLM)以其成形自由度高、加工过程不受模具约束等特点,为上述困难带来了解决之法。然而,铝合金具有激光吸收率低、热导率高、氧化活性高等特性,使得SLM成形铝合金易存在氧化物夹杂、孔洞等缺陷,且受激光热流影响微观组织呈现各向异性,成形材料延伸率普遍低于6%,与铸造水平相当,远低于锻件水平,阻碍其工业应用。原位自生TiB2/Al基复合材料具有高比强度、高比刚度、高模量等优点;同时,TiB2颗粒的激光吸收率高,可提升铝材整体的激光吸收率,有助于铝材的SLM成形,有望解决SLM成形铝合金中存在的问题,为航空航天等领域中复杂结构件的加工制造提供新的途径。因此,本文针对原位自生TiB2/Al-Si复合材料的SLM成形开展研究,探索TiB2颗粒的存在对材料微观组织及力学性能的影响,寻求适合于SLM成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的热处理机制,并分析其强韧化机理。研究表明,在SLM快速凝固的作用下,合金元素溶解度显著提升,TiB2颗粒弥散地分布在Al基体中,Si呈现网格状分布。成形材料具有超细晶结构,平均晶粒尺寸为1.05μm,与铸态复合材料(平均晶粒尺寸为40μm)相比晶粒大幅细化。此外,TiB2颗粒也起到了细化晶粒的效果,使其平均晶粒尺寸仅为SLM成形Al-Si合金的50%。同时,TiB2颗粒的存在还起到了钉扎作用,阻碍晶粒沿热流方向生长,复合材料晶粒的长径比为1.83,与合金相比(长径比为2.32),晶粒逐步趋于等轴,材料各向异性得以改善。在力学性能方面,TiB2颗粒的存在使SLM成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的强度明显提升。合金抗拉强度为424MPa,延伸率为8.8%,复合材料抗拉强度为475MPa,与合金相比高12%,延伸率达到13.4%,比合金提高52%,远高于铸态复合材料。通过对热处理工艺的探索,确定最佳工艺为直接人工时效150°C/12h。热处理后复合材料的力学性能进一步提高,抗拉强度达到523MPa,延伸率为8.2%,能够满足航空航天等领域对材料的性能要求,为复杂结构件成型加工提供新的选择。根据物相分析及组织表征,SLM成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的强韧化机理为:快速凝固使合金元素在基体中溶解度显著提升,形成固溶强化;受快速凝固和TiB2颗粒的双重作用,晶粒大幅度细化,形成细晶强化;TiB2颗粒、纳米Si相及热处理后析出的第二相在基体中弥散分布,形成Orowan强化,并起到承受载荷的作用。