激光选区熔化成形SiC颗粒增强铝基复合材料工艺与强化机理研究

论文摘要

碳化硅颗粒（SiCp）增强铝基复合材料（AMCs）具有高比强度和比模量、热膨胀系数小以及导热性能优异等显著的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、海洋等领域。由于增强相颗粒与铝基体材料之间的物理、化学性能差异较大,采用传统工艺制备SiC颗粒增强铝基复合材料时,基体不能有效润湿增强相,因此铝基体与增强相之间不能形成有效的结合界面,严重影响SiC颗粒增强铝基复合材料的使用性能。基于离散和堆积原理的激光选区熔化（SLM）技术以高能激光束为热源通过“自下而上”材料累积的方式制造金属零部件,显著缩短生产周期和减少制造成本,其独特的快速加热和冷却过程为制备出较高质量分数且机械性能优异的SiCp增强铝基复合材料提供可能。本文以激光选区熔化成形SiC（10 wt.%）/AlSi10Mg复合材料过程为对象,首先研究了成形参数如激光功率、扫描速度和扫描间距等对SLM成形铝基复合材料致密度的影响规律,明晰了成形过程中孔隙、球化现象等产生的原因、最优工艺参数窗口成形SiC颗粒增强铝基复合材料的物相组成、显微组织、机械性能及其与体能量密度之间的关系;其次通过数值模拟研究了SLM成形SiC颗粒增强铝基复合材料过程中熔池及温度场特性,揭示了成形件中增强相、显微组织的形成机制与材料的强化机理。研究结果表明SLM成形10 wt.%SiC颗粒增强铝基复合材料的最优工艺窗口:激光功率P:300 W310 W、扫描速度V:800 mm/s1000 mm/s、扫描间距D:0.12 mm,层厚30μm。在该工艺参数窗口下成形时,SiC颗粒对熔池内熔体的流动影响较小,熔池具有良好的稳定性,SiC颗粒与熔融铝基体之间的原位反应较为完全,形成的增强相在铝基体中分布较为均匀,能够获得高致密度且性能优异的SiC颗粒增强铝基复合材料。数值模拟方法获得的SiC颗粒增强AMCs的熔池尺寸与实验测量值表现出高度一致,其熔池尺寸和熔池温度随激光体能量密度的增加而增加,熔池最大三维尺寸为219μm、168μm和114.23μm,熔池内最高温度为1867.02℃。SLM成形SiC颗粒增强铝基复合材料的相组成为α-Al相、SiC相和Al4SiC4相。SiC颗粒和Al4SiC4颗粒以及Si原子与Al引起的弹性畸变对滑移面上运动着的位错造成阻碍而对基体产生弥散强化和固溶强化作用,应力由基体传递到条带状Al4SiC4增强体而形成直接强化,成形试样中晶粒细小导致晶界面积增加进而产生细晶强化作用。在以上四种强化机理的协同作用下,激光功率为300 W,扫描速度为800 mm/s,体能量密度为104.16 J/mm3时,成形试样具有最优异的力学性能,显微硬度在205215 HV0.1之间且波动平缓,抗拉强度、屈服强度和弹性模量分别为441.8 MPa、381.4 MPa和84.2 GPa,与基体Al合金相比分别提高了15.7%、46.7%和20%,同时得到SLM成形SiCp增强铝基复合材料的断裂机制为脆性断裂。上述激光选区熔化成形SiC颗粒增强铝基复合材料工艺与强化机理研究建立了工艺参数-显微组织-力学性能三者之间的关系,为进一步探索SLM成形SiC颗粒增强铝基复合材料工艺参数奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 激光增材制造技术
•     1.1.1 激光选区熔化技术概述
•     1.1.2 激光选区熔化技术成形原理
•   1.2 金属基复合材料研究概述
•     1.2.1 典型金属基复合材料
•     1.2.2 铝基复合材料研究概述
•     1.2.3 铝基复合材料制备方法
•     1.2.4 铝基复合材料研究现状
•   1.3 SLM成形铝基复合材料研究概述
•   1.4 本课题研究内容
• 第2章 实验材料和方法
•   2.1 实验材料
•   2.2 激光选区熔化成形设备
•   2.3 工艺参数设置和试样制备
•   2.4 实验表征
•     2.4.1 致密度测定
•     2.4.2 光学显微镜（OM）分析
•     2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析
•     2.4.4 X射线衍射（XRD）分析
•     2.4.5 维氏显微硬度测试
•     2.4.6 拉伸性能测试
•   2.5 本章小结
• 第3章 SLM成形SiC颗粒增强AMCs工艺研究
•   3.1 SLM成形SiC颗粒增强AMCs工艺参数制定
•   3.2 SLM成形SiC颗粒增强AMCs过程问题分析
•   3.3 工艺参数对SLM成形SiC颗粒增强AMCs致密度的影响
•     3.3.1 激光功率对SLM成形SiC颗粒增强AMCs致密度的影响
•     3.3.2 扫描速度对SLM成形SiC颗粒增强AMCs致密度的影响
•     3.3.3 扫描间距对SLM成形SiC颗粒增强AMCs致密度的影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 SLM成形SiC颗粒增强AMCs熔池温度场和组织分析
•   4.1 激光闪光法测定铝基复合材料热物理性能
•   4.2 模型建立及数值求解
•   4.3 计算结果与讨论
•     4.3.1 工艺参数对熔池形貌的影响
•     4.3.2 工艺参数对熔池温度场的影响
•   4.4 物相分析
•   4.5 宏观组织分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 SLM成形SiC颗粒增强AMCs显微组织与力学性能分析
•   5.1 显微组织分析
•   5.2 力学性能分析
•     5.2.1 显微硬度
•     5.2.2 拉伸性能
•     5.2.3 断口分析
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王卫东

导师: 张冬云

关键词: 激光选区熔化,颗粒增强铝基复合材料,成形工艺,显微组织,力学性能,温度场

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 北京工业大学

分类号: TN249;TB33;TG665

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000798

总页数: 73

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