复合材料的微观组织和疲劳性能分析

0 引言

铝基复合材料兼备铝合金与陶瓷的优良特性，具有质量 轻、比强度高、比模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定性高，且耐 高温、抗疲劳磨损等一系列优点，广泛应用于航空航天、汽 车、热交换设备等领域。选区激光熔化( SLM) 技术作为一 种新型激光快速成形技术，其独特的快速加热和冷却过程有 利于成形材料显微组织的细化和性能的提高，采用 SLM 技术 成形 Al 基复合材料具有明显的优势和广阔的应用前景。

1 实验

采用浙江 亚 通 焊 材 有 限 公 司 制 备 的 纳 米 WC 和 AlSi10Mg 合金粉末为 SLM 沉积材料，通过激光粒径分析仪测 得上述两种粉末粒径分别为 100 ～ 200 nm、15 ～ 53 μm，AlSi10Mg 粉末元素含量如表 1 所示。利用混料机混合两种粉 末，混料时间为 20 min，混合粉末 SEM 照片与粒径分布如 图 1 所示。由图 1 可知，混合粉末分布均匀，球形度良好，从 而保证了成形时粉末的流动性。为减少粉末吸潮对实验结果的影响，使用 DZF-6050B 型真空干燥箱(上海一恒DZF-6050B台式真空干燥箱)在 110 ℃ 真空条件 下( 0. 2 Pa) 对混合粉末进行 5 h 的烘干处理。通过选区激光 熔化设备 AFS-M260 制备 WC /AlSi10Mg 复合材料试样，成形 环境为氩气氛围，成形工艺参数如表 2 所示。实验中分别成 形尺寸为 15 mm×15 mm×15 mm 的块状试样和七组标准疲劳 拉伸试棒，疲劳拉伸试棒尺寸和形貌如图 2 所示。


2 结果与分析

可见 SLM 成形的试样组织致 密，未发现明显的气孔与裂纹; 还观察到大量熔池、熔敷线、 相邻熔敷线的搭接区及层间的重熔区。熔池形貌呈各向异 性，熔池横向呈熔滴滚动延伸结构，排列整齐，但长度不一， 而宽度分布较均匀，约 190 μm; 熔池纵向呈鱼鳞状分布，深度 约 138 μm。激光光斑直径和铺粉厚度约 75 μm、50 μm，均小 于熔池宽度和深度，表明在该工艺参数下，激光能量密度高， 导致激光光斑周围粉末熔化并向四周流动，使熔宽约为光斑 直径的 2 倍; 激光穿透深度深，约为铺粉层厚的 2. 5 ～ 3 倍，各 层均出现多次重熔，层间结合更为紧密，减少了缺陷，提高了 试样的成形质量。观察到该处为粗大胞状枝晶，而 熔池内部为细小树状枝晶，熔池内部和边界晶粒的生长方式 由温度梯度 G 与凝固速度 V 的比值( G/V) 决定。枝晶呈 典型的外延生长特性生长，即枝晶沿熔池底部向顶部生长， 但同时存在多个枝晶生长方向不一致的亚结构，这是因为在 实际凝固过程中，α-Al 枝晶将选择与最大温度梯度夹角最小 的〈100〉取向生长。测得熔池边界和内部平均一次枝晶 间距 λ1 分别约为 1. 2 μm、0. 8 μm，熔池边界几乎不存在二次 枝晶，内部出现较发达的二次枝晶，平均二次枝晶臂间距 λ2 约 0. 4 μm。

3 结论

( 1) SLM 技术实现了几乎无缺陷的 AlSi10Mg 复合材料 的制备，该复合材料的致密度可达到 95%以上。晶粒组织细 小，熔池边界为胞状枝晶，内部为树状枝晶，两者枝晶间距 λ1 分别约为 1 μm、0. 6 μm，二次枝晶不发达。枝晶在生长方向 上呈典型的外延生长特性，沿熔池底部向顶部生长。
( 2) SLM 成形 AlSi10Mg 复合材料试样组织分为三个区 域: 粗晶区、细晶区和热影响区，对应区域的平均 α-Al 基体尺 寸分别约为 1. 5 μm、0. 6 μm、1. 0 μm，共晶 Si 相宽度变化不 明显，宽度均在 0. 5 μm 以下; 对应区域的 Al-Si 共晶含量分 别为( 40±3) %、( 37± 4) %、( 30± 2) %，大部分 Si 以过饱和形式固溶于 Al 基体中。
( 3) SLM 成形 AlSi10Mg 复合材料试样中的 Al、Si、Mg 三 种元素分布均匀，而 W、C 两种元素在晶界富集，且部分 WC 在成形过程中发生溶解扩散式烧损。
( 4) SLM 成形 AlSi10Mg 复合材料试样的疲劳寿命分布 服从威布尔分布，试样寿命主要集中在( 1. 3 ～ 2. 8) × 105 之 间，寿命达峰值之后试样的破坏率逐渐下降。复合材料疲劳 断口具有解理断裂特征，试样存在严重的夹杂，使得疲劳裂 纹源萌生于试样次表层。故 SLM 成形技术对粉末的质量提 出很高的要求，否则会因为成分不均引入杂质，影响试件的 服役寿命。