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宁波不锈钢精密铸造:AlSiC复合材料激光快速成形的研究

发布日期:2018-02-02 09:04:32 浏览次数:709

    Al/SiC复合材料激光快速成形的研究,在基板上直接成形出薄壁样品。鉴于A/SiC复合粉末的特点,采用基板预热并预涂覆吸光涂层以降低所需的激光功率,避免铝的过度熔化和SiC的分解。所制得的A/SiC复合材料组织均匀。细小,SiC分解量很少且分布均匀,有少量的Al4CSAl4SiC4及单质硅生成。

  采用2kW横流⑴2激光器,焦点光斑直径3mm.复合金属粉末成分为Al2024+SiC(15%体积分数),Al2024(4.4%Cu1.5%Mg,0.6%Mn均为质量分数,余量为Al),粉末粒度45 ~60um,SiC为绿色aSiC颗粒,纯度98.93%粒度为50n.选用硬铝合金作为基体材料,尺寸100mmX50mmX10mm,表面进行去污处理。另外由于铝表面对激光的吸收率很低,会减弱复合粉末成型的第一层与基体的结合,故在其表面涂上一层强铝基体吸光性的涂层,该涂层不影响成型第一层与基体结合层的组织与成分。以激光束空扫预热至基体温度达到450°C时送入复合粉末。激光输出功率从开始的1600W经10层均匀递减至13⑴W达到热平衡,之后稳定在1300W成型,每层层高0.5mm.采用负离焦,离焦量8mm.送粉速率为3 ~6g/min,粉末载气流量(N2气)0.5m3/h,扫描运动速度2.0mm/s.为研究所成形零件的力学性能,采用激光直接堆积制备出薄壁样,经线切割加工和表面刨平制成片状拉伸试样,在AG-50IKNE拉伸试验机上进行拉伸试验。取原始薄壁样沿垂直于基体方向截取金相试样,通过磨制、抛光和腐蚀,制好的试样在标准金相显微镜上观察金相组织。采用X射线衍射进行物相鉴定。

  激光快速成形过程用于。从分析结果中可以看出:在Al/SiC复合材料中,除了Al及SiC颗粒以外,尚有新相生成,其中有Al4C3Al4SiC4和单质Si.微组织的金相照片。从中可以看出,灰色颗粒状SiC分布均匀,根据照片测量颗粒的平均尺寸约为40Pm,接近其原始尺寸,说明SiC颗粒仅有少量分解。同时可以看到少量的黑色针状相Al4C3在Al/SiC界面处沿一定位向关系生长或分布在SiC颗粒周围。Al/SiC界面处生长的AUC3针状相的大部分是从界面处向铝晶粒内垂直生长。(h)是(a)的局部放大图,从中可以清楚地看到垂直于SiC晶粒表面的针状AUC3相。Al/SiC界面模糊,除了AUC3相的存在外,其余为依附SiC颗粒析出的新相硅单质。另外在铝基体中也可以看到单质硅以灰色小球状相存在。(c)是两层交接处的组织形貌,可以看到层与层之间结合处上下两部分组织不同。上部的组织(图中左侧)与(a)相同,而下部(图中右侧)即下一层的顶部组织仅由狭长的暗灰色针状相Al4SiC4组成,并沿垂直于层面的方向近平行排列。

  激光快速成形制备的Al/SiC复合材料拉伸试样尺寸为60mmX12mmX2mm,抗拉强度为177MPa.为拉伸断口的SEM照片,断口呈现明显的脆性断裂特征。断口有阶梯状的解理面存在,并且可以看到整个晶粒脱出后留下的空洞,即有沿晶断裂的特征,说明该材料塑性较差。

  Al与SiC在激光的高能量作用下熔化并发生如下反应:要由667~1347°C温度范围的液相凝固析出,而Al4SiC4则在1347°C或更高的温度范围凝固析出。

  当激光熔化同步供给金属粉末时,由于激光能量的供给时间极短,所以sk只是表面熔化与熔融的铝反应,生成AUC3与单质娃。

  从可以看出SiC颗粒表面模糊,这是由于反应产物来不及向四周铝熔液中扩散所致。铝属于面心立方结构晶体,所以新相AUC3会在晶向择优取向长大。<10>族由三个相互垂直的轴组成,所以针状相大体呈六角星形分布,交叉长大4C3,Al4SiC4针状相的生成导致材料的脆性加。对于针状相生成量的控制目前只能通过进一步降低激光功率来减少Al与SiC的反应。

  基于快速成型原理,通过高功率激光熔化同轴输送的Al/SiC复合粉末,可直接制备出具有一定几何形状的近致密的复合材料。但其可调节的功率范围很窄。这是由Al/SiC复合粉末的特性所决定的。预热和吸光涂层预涂覆可以缓解这种矛盾,保证在激光功率不太高的前提下熔化错,同时也减少了SiC颗粒强相的分解。

  通过激光快速成形制备的Al/SiC复合材料,其组织细小致密,成分均匀。SiC仅有少量分解,且分布均匀,有少量副产物AkC3、Al4SiC4针状相及单质桂生成。






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