隨著對(duì)高性能的輕質(zhì)合金材料的需求越來越強(qiáng)烈，特別是在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，對(duì)于新穎的金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備正得到越來越多研究者的關(guān)注。傳統(tǒng)的鋁硅合金由于在比強(qiáng)度、耐磨損性能以及熱膨脹系數(shù)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注，但無論如何其性能也已不能滿足于現(xiàn)有的需求。

借助顆粒增強(qiáng)獲得的鋁硅基復(fù)合材料可顯著提高傳統(tǒng)的鋁硅合金的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛的研究并在實(shí)際工程中獲得應(yīng)用，這其中常用的增強(qiáng)體包括Al2O3、TiC、TiB、SiC等。用于激光增材制造的金屬材料包括了不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎳基高溫合金、Co-Cr-Mo合金、鋁合金等，但對(duì)于金屬基復(fù)合材料的激光增材制造研究還相對(duì)較少。 本期，我們一起來領(lǐng)略南京航空航天大學(xué)在鋁基納米復(fù)合材料的3D打印制備方法的成果。

目前對(duì)于激光增材制造的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在成形加工過程中主要面臨這樣一些問題：

- 由于鋁對(duì)激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器難以使得鋁合金發(fā)生完全熔化，增強(qiáng)顆粒的加入能夠在程度上提高粉體對(duì)激光的吸收率，但增強(qiáng)顆粒加入過多則會(huì)導(dǎo)致材料延伸性能下降；

- 研究表明，降低增強(qiáng)體的顆粒尺寸達(dá)到納米級(jí)可以有效提高金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能，如提高強(qiáng)度和減少裂紋，但是當(dāng)增強(qiáng)顆粒的尺寸減小至納米尺度時(shí)，顆粒之間會(huì)因強(qiáng)烈的范德瓦爾力以及極大的表面張力而緊密地團(tuán)聚在一起，從而很不利于增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻分散，在激光增材制造過程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均勻分散第二相的作用，但該Marangoni流又與熔池的溫度場(chǎng)緊密相連；

- 由于通常加入的增強(qiáng)顆粒為陶瓷相，而陶瓷相與基體相之間的潤(rùn)濕性很差，同時(shí)它們之間的熱膨脹系數(shù)差異也往往較大，這就導(dǎo)致在成形過程中形成的液相不能均勻鋪展，同時(shí)在隨后的凝固過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。

為解決上述存在的技術(shù)問題，南京航空航天大學(xué)提供一種基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤(rùn)濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

南京航空航天大學(xué)對(duì)于鋁基納米復(fù)合材料的加工是在高純氬氣保護(hù)氣氛環(huán)境中進(jìn)行的，成形過程中維持在正壓0.9-1.2atm。加工過程中，加工參數(shù)和粉體性能是影響激光最終成形件的兩個(gè)最主要因素。從粉體成分角度考慮，稀土元素和陶瓷顆粒的添加必然會(huì)增強(qiáng)鋁合金粉體對(duì)激光的吸收率，從而可保證在的激光功率下熔池具有充足的液相量。一方面，添加的陶瓷相其粒徑大小、密度以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)均會(huì)影響到激光吸收率。另一方面，激光成形工藝參數(shù)同樣會(huì)顯著影響到鋁基納米復(fù)合材料成形過程中熔池的熱動(dòng)力學(xué)特性以及隨后的顯微組織和性能。

針對(duì)這些因素的考慮，南京航空航天大學(xué)的方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

- 精當(dāng)?shù)谋壤?/strong> 

粉末成分包括了鋁硅合金粉末、稀土相和陶瓷相，其中稀土相為L(zhǎng)a、Nd、Sm或Y中的任意一種，所選擇的這些稀土元素按照其熱物性(熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和表面張力)處于基體相和增強(qiáng)相之間的原則進(jìn)行選取，保證了在激光加工過程中陶瓷增強(qiáng)相與基體之間良好的潤(rùn)濕性能和避免因熱物性差異過大而導(dǎo)致在凝固過程中的開裂情況，其含量控制在0.3-0.8wt％，避免加入過多導(dǎo)致性能惡化；陶瓷顆粒選用碳化物，旨在成形過程中產(chǎn)生原位反應(yīng)，改善界面結(jié)構(gòu)，在尺寸方面選擇納米尺寸，則借助小尺寸和表界面效應(yīng)有效提高材料的強(qiáng)韌性，此外陶瓷相的添加還可有效提高粉末對(duì)激光的吸收率，提高粉末的加工性能，但其添加含量需控制在4-6wt％，保證材料不會(huì)因增強(qiáng)相的過高而引起延展性下降。

- 梯度界面層

鋁基納米復(fù)合材料在增強(qiáng)相與基體相之間形成一定厚度的梯度界面層，從基體相到增強(qiáng)相Al及稀土元素成分呈現(xiàn)梯度變化，在加載過程中，增強(qiáng)顆粒處往往容易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂情況，但這種梯度界面層的存在則有效緩解了應(yīng)力集中的發(fā)生，從而對(duì)材料起到了強(qiáng)韌化的作用；同時(shí)增強(qiáng)顆粒由于稀土元素的加入變得更加的細(xì)小和圓潤(rùn)，也減小了材料內(nèi)部在加載中發(fā)生應(yīng)力集中的幾率。

- 均勻的粉體

利用高能球磨作用實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷增強(qiáng)相和稀土相的包覆作用，借助二次球磨作用，有效獲取滿足于SLM成形工藝的粉體，即具有良好的流動(dòng)性、球形度以及均勻的成分分布、較窄的粒徑分布，該粉體制備方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便。

-控制有效體能量密度

通過優(yōu)化SLM成形中有效體能量密度來控制獲得良好的成形質(zhì)量，有效體能量密度的作用體現(xiàn)在對(duì)激光加工中熔池的穩(wěn)定性、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及伴隨的激光顯微組織結(jié)構(gòu)的影響，綜合的反映了粉體物性和加工參數(shù)這兩者對(duì)SLM加工過程的影響。南京航空航天大學(xué)的制造工藝所形成的熔池具有很好的穩(wěn)定性，成形件表面具有光滑并呈現(xiàn)出波紋狀的熔道軌跡，同時(shí)幾乎看不到球化效應(yīng)并獲得近全致密的結(jié)構(gòu)。顯微組織分析表明增強(qiáng)顆粒得到均勻的彌散分布，基體晶粒細(xì)小并呈胞狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。

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