陶瓷颗粒增强铝基复合材料3D打印研究

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目前的陶瓷增强铝基复合材料3D打印研究还未充分展开,相关的材料体系开发、打印工艺优化、显微结构特征、致密度提升等方面的研究工作仍然需要深入进行。本文以AlSi10Mg为基体,分别采用轻质及重质陶瓷颗粒作为增强相,通过系统的实验设计方法(Design of Experiment,DOE)深入探索了选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)的打印工艺参数与打印致密度之间的关联关系,进而获得了最优化的SLM打印参数。并对最优参数下的显微结构及力学性能进行了表征,探讨了增强相的强化机制以及其在熔池中的运动情况,在此基础上,对铝基复合材料打印后热处理也进行了相关研究,揭示了热处理方式对物相、显微结构以及力学性能的影响机制。本研究的具体内容如下:利用SLM技术对TiCN-AlSi10Mg复合材料的成形工艺参数进行了系统的研究。结果表明:激光功率P=344 W,扫描速度V=1800 mm/s,扫描间距h=0.075 mm时,可达最高致密度97.32%。所制备出的试样,晶粒细小,TiCN无团聚,并均匀分布于Al基体中,起到一定的强化作用,使得性能得到稳定提升,硬度可达166±2 HV,抗压强度达到608 MPa,分别比AlSi10Mg合金提高26%和7%。从铸造WC(Cast tungsten carbide,CC)和WC-20Co中选择合适的增强颗粒进行材料体系的探索,发现采用铸造WC能够获得更好的SLM打印成形性能及显微结构。使用实验设计的方法对CC-AlSi10Mg复合材料的工艺参数进行优化。结果表明:激光功率P=180 W,扫描速度V=461 mm/s,扫描间距h=0.07 mm时,致密度可达98.2%。因铸造WC的熔点较高,在熔池中能够很好的保存,只有少部分会因激光照射而发生破碎。添加铸造WC颗粒后,材料的硬度,抗压性能都得到了提升,分别为233±11 HV,653 MPa,比AlSi10Mg合金分别提升77%和16%,同时耐磨性能也得到了提升,摩擦系数和磨损率仅为0.16(AlSi10Mg合金为0.38)和1.8×10-5mm3 N-1m-1(AlSi10Mg合金为5.3×10-3mm3 N-1m-1)。研究SLM打印后热处理工艺对铝基复合材料物相、显微结构以及力学性能之间的影响,发现两种材料在退火处理时,硬度和抗压强度均会呈现出随温度升高而下降的趋势;当采用T6热处理时,两种材料的塑性都出现了明显的提升。
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