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选区激光熔化制备20%SiC颗粒增强铝基复合材料的工艺优化及性能研究

吴怡星1,刘永勤1,高志明2,康祥晋1,郭茹萍1,职希玉1,朱 满1

(1.西安工业大学材料与化工学院,陕西西安 710016;2.西安科技大学机械工程学院,陕西西安 710054)

要:选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术成形的零件不仅有快速凝固的组织特征,同时还可以制备形状复杂的结构件,因此SLM技术在航空航天、汽车及医疗等领域有着广泛的应用。本文利用SLM技术制备了20%SiC颗粒增强AlSi10Mg的复合材料,研究不同扫描速度和激光功率对成形件的显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,成形零件的硬度随着不同的激光功率在160~175 HV之间变化;当扫描速率为1 000mm/s时,随着激光功率的升高,材料的硬度逐渐升高,在410W时达到峰值172.3 HV;而当扫描速率为1 200mm/s时,随着激光功率的升高,硬度变化幅度较大,在390W时硬度最大达到171.2HV。同时,在激光功率390W,扫描速度1 200mm/s时,试样内部的裂纹和孔洞较少,SiC颗粒在铝基体中分布均匀,与铝基体有理想熔合界面。

关键词:选区激光熔化;SiCP颗粒;Al基复合材料;维氏硬度

轻质高强度金属基复合材料在现代航空航天、汽车制造及精密仪器领域具有不可替代的战略地位[1-2],其中碳化硅(SiC)颗粒增强铝基复合材料因其优异的比强度、高耐磨性和良好的尺寸稳定性成为最具发展前景的材料体系之一[3-4]。而AlSi10Mg合金具有密度低、比强度高及凝固开裂倾向低等优点成为铝合金的更优选择[5]

激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM)是一种先进的金属增材制造技术[6]。SLM使用高功率密度的激光束作为热源,选择性地完全熔化预先铺好的金属粉末层,使其熔融凝固并逐层堆积,制造出致密且具有良好机械性能的复杂三维金属零件[7]。Simchi等[8]制备了不同体积分数(5%、10%、15%、20%)的SiC增强铝基复合材料,研究了激光工艺窗口对不同复合材料成形的影响规律,结果表明SiC颗粒降低了铝基体的凝固速度,随着SiC颗粒的增多,熔体的稳定性越高,成形件表面越光滑,致密性越高。Ghoshl等[9-10]针对SiC体积分数与颗粒粒径增强铝基复合材料的裂纹密度与磨损性能进行研究。结果发现,由于激光选区熔化过程中热应力与收缩应力的作用,使得成形件容易产生裂纹,且当SiC体积分数超过15%时,有明显增加趋势[11-12]。而复合材料的磨损率在一定体积分数的SiC颗粒条件下,随颗粒尺寸的减小而增大,耐磨性能随SiC含量的增加而升高,但在SiC含量超过20%后不再发生变化[13-15]。目前针对高体积分数SiCP(>10%)增强铝基复合材料的SLM成形结果相对较少,尤其是SiC颗粒的体积分数为20%的工艺—组织—性能关系尚不明确。因此,确定较为准确的成形工艺范围和对应性能改变的研究很有必要。

本文对SLM成形20%SiC颗粒增强AlSi10Mg复合材料的成形工艺展开研究。通过多组工艺参数的调试与优化,确定适用于该复合材料SLM成形的最佳工艺参数。在此基础上,对不同工艺参数制备的试样进行硬度测试与显微组织表征分析,深入探究SLM工艺参数对复合材料成形件性能的影响规律。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验采用西安铂力特公司购买的呈近球形、平均粒径约为30 μm的AlSi10Mg粉末及等效粒径约为7 μm的SiC颗粒作为研究对象。所采用的AlSi10Mg粉末微量元素含量如表1所示。

表1 AlSi10Mg化学成分
Tab.1 Chemical composition of AlSi10Mg

(mass fraction/%)Si Mg Mn Cu Fe Ni Zn Sn Al9.2 0.48 0.21 0.26 0.84 0.25 0.17 0.11 Bal.

1.2 实验方法及参数设计

本实验采用的原料为AlSi10Mg粉末(15~53 μm)与SiC粉末(7 μm),将原始粉末按80∶20的体积比进行称量配制,将其放入不锈钢罐中进行抽真空处理,通过机械球磨制备SiCp/AlSi10Mg粉末。转速设置为140r/min并配合直径3~5mm与8~10mm的小球[16-20],按照2∶1比例混合使用,通过正反转交互进行的方式使原始粉末混合均匀,并保持原有粉末形貌粒度。为保持粉末干燥性,在真空干燥箱60~80 ℃的条件下烘干处理10h。随后在惰性气氛(氩气)保护下,将混合处理好的粉末进行分层铺粉,通过高精度激光束选择性熔化粉末层,逐层累积成形复合材料构件[21-22]。本文主要探究激光功率、扫描速度、扫描间距以及粉末层厚的影响,如表2所示。

表2 SLM制备SiCp增强AlSi10Mg复合材料参数范围设置
Tab.2 Parameter range setting of SLMed SiCp enhanced AlSi10Mg composites

Laser power W 390~410 Process parameters Unit Numerical value Scanning speed mm/s 1 000~1 200 Scan spacing mm 0.12 Powder layer thickness μm 30

2 实验结果及讨论

2.1 金相显微组织分析

图1为激光功率390 W下不同扫描速度的金相组织。扫描速度为1 000mm/s时(图1a)可观察到明显的贯穿性热裂纹,其沿晶界呈树枝状扩展,裂纹路径穿过颗粒团聚区域,表明SiC颗粒在SLM成形过程中引发了局部应力集中与热导率不均,造成热应力集中,导致热裂纹的产生[23-24]。放大倍数增大至500倍可以观察到SiC颗粒主要分布于晶界处,起到了异质形核的作用,显著细化了α-Al基体晶粒。颗粒呈类球状、界面结合较好,未见明显脱落或反应产物,说明该参数下基体与SiC颗粒间存在一定的润湿性。扫描速度提升至1 200mm/s发现,颗粒整体弥散性有所提升,呈现相对均匀的小颗粒分布特征,颗粒链状团聚现象较少,但仍存在部分富集区域;同时,在界面与熔合带附近有非贯穿型微裂纹,裂纹形态较1 000mm/s扫描速度时更短、更少,可能是提高扫描速度后热输入降低导致[25]。放大至500倍(图1d)发现晶粒尺寸较小,颗粒主要分布于晶界,局部呈线性富集,有强化异质形核的作用,表明高扫描速度提升了冷却速率,抑制了晶粒长大。综上,扫描速度为1 200mm/s时,改善了颗粒的分散性与热裂倾向,有助于获得更有利的组织结构。

图1 SLM成形SiCP(20%)/AlSi10Mg不同工艺参数下的典型金相图:(a)390W,1 000mm/s;(b)390W,1 000mm/s;(c)390W,1 200mm/s;(d)390W,1 200mm/s
Fig.1 Typical metallography of SLMed SiCP(20vol.%)/AlSi10Mg under different process parameters:(a)390W,1 000mm/s;(b)390W,1 000mm/s;(c)390W,1 200mm/s;(d)390W,1 200mm/s

图2为激光功率400 W下不同扫描速度的金相组织,材料整体表现出SiC颗粒弥散性一般。图2a(1 000 mm/s)中可见大量垂直或次垂直方向的宏观热裂纹,裂纹沿晶界扩展,说明当前激光参数下热输入较高,导致冷却速率较慢及热应力积聚严重,是形成贯穿性裂纹的主要原因[26]。图2b中,α-Al基体呈现粗大树枝晶,局部颗粒间夹杂暗带,推测为颗粒团聚导致局部未熔合或残余应力积累区,且树枝晶界清晰,组织粗化明显,进一步表明热输入过高导致凝固时间延长,不利于晶粒细化与组织致密化[27]。扫描速度提升至1 200mm/s时发现裂纹数目明显减少,主要为非贯穿型微裂纹,推测为冷却速率提升、热梯度减缓所致。颗粒分布相对更均匀,呈现出较少的链状团聚结构,表明较高扫描速度改善了熔池稳定。放大至500倍发现基体组织进一步细化,胞状晶粒尺寸更小,边界清晰,SiC颗粒呈均匀弥散分布,多数位于晶界,有效发挥异质形核作用,促进晶粒细化,局部区域界面模糊,可能存在元素相互扩散或形成新相Al4C3[28-29]。可见适当提高扫描速度可显著改善SLM成形过程中颗粒分散性与裂纹控制效果,同时提升组织致密性与细化程度。激光功率400W扫描速度1200mm/s条件下获得的组织结构更为优良,是实现高性能20%SiC/AlSi10Mg复合材料的潜在工艺窗口。

图2 SLM成形SiCP(20%)/AlSi10Mg不同工艺参数下的典型金相图:(a)400W,1 000mm/s;(b)400W,1 000mm/s;(c)400W,1 200mm/s;(d)400W,1 200mm/s
Fig.2 Typical metallography of SLMed SiCP(20vol.%)/AlSi10Mg under different process parameters:(a)400W,1 000mm/s;(b)400W,1 000mm/s;(c)400W,1 200mm/s;(d)400W,1 200mm/s

图3为激光功率410 W下不同扫描速度的金相组织。1 000mm/s时可以观察到存在明显缺陷,中下部区域呈现出熔池塌陷和大尺寸孔洞,与周边裂纹相互贯通,显示出较高的热输入条件下存在显著的能量过饱和问题。结合图3b发现晶粒呈粗大针状的树枝晶结构,晶界处SiC颗粒团聚严重,表明局部温度梯度大,冷却速率相对较低,导致晶粒粗化、颗粒间隙液相分离并引起热裂纹。同时,颗粒之间形成的黑色相界区域,有可能是铝基体元素偏析或生成了Al4C3。这些组织特征明显不利于材料的致密化与力学性能提升。1 200mm/s时(图3c)可见裂纹数目有所下降,分布不再呈贯穿状,说明较快的扫描速度有效缓解了热应力积聚,提升了熔池稳定性。SiC颗粒分布更为均匀,整体呈现弥散状态,链状团聚现象显著减轻。图3d中晶粒形态趋于细小,SiC颗粒多数聚集于晶界附近,促进异质形核,形成清晰、规则的细晶组织;同时部分区域晶界模糊,推测可能发生了元素扩散或新相生成的界面反应,进一步提升界面结合强度[30-31]。综上,激光功率为410W时,提升扫描速度至1 200mm/s显著改善了SLM成形的组织质量,降低了裂纹、孔洞等缺陷的发生,同时细化了晶粒并优化了颗粒分布模式。

图3 SLM成形SiCP(20%)/AlSi10Mg不同工艺参数下的典型金相图:(a)410W,1 000mm/s;(b)410W,1 000mm/s;(c)410W,1 200mm/s;(d)410W,1 200mm/s
Fig.3 Typical metallography of SLMed SiCP(20vol.%)/AlSi10Mg under different process parameters:(a)410W,1 000mm/s;(b)410W,1 000mm/s;(c)410W,1 200mm/s;(d)410W,1 200mm/s

2.2 XRD分析

如图4所示,对20%SiC-AlSi10Mg进行XRD分析检测,从图谱可以看出,所有样品的主要衍射峰均来自Al、Si、SiC以及少量Al4SiC3等相,说明SLM过程中并未引入其他杂相,且SiC颗粒在高温下保持较好热稳定性,未发生严重分解[32]。随着激光功率从390W提升至410W,扫描速度从1 000mm/s提升至1 200mm/s,各衍射峰的强度、宽度和出现的新相也随之发生变化。在激光功率410 W扫描速度1 200mm/s时,Al和Si衍射峰强度较高,表明基体组织更加致密、结晶度较高,晶粒取向更为稳定,同时也出现较明显的Al4SiC4相峰。这可能由于较高的能量密度与快速冷却共同作用,促进了Al与SiC之间的反应,生成稳定的界面产物Al4SiC4,有助于提高界面结合强度[33-34]。而在激光功率390W扫描速度1 200mm/s的条件下,Al4SiC4峰几乎未见,表明界面反应程度较弱或存在缺陷。综上,XRD结果进一步说明了在SLM参数优化过程中,适当提高激光功率与扫描速度有助于晶粒细化并促进颗粒与铝基体之间良好的熔合界面反应,从而提升材料的整体性能。

图4 不同工艺参数下SLM成形SiCP(20%)/AlSi10Mg的XRD谱
Fig.4 XRD patterns of SLMed SiC (20vol.%)/AlSi10Mg under different process parameters

2.3 硬度分析

图5为维氏硬度测试图,从图中可以看出SLM成形20%SiC增强AlSi10Mg复合材料在不同激光功率与扫描速度下表现出明显的硬度变化趋势。激光功率与扫描速度都对样品硬度具有显著影响,其中激光功率390 W扫描速度1 200 mm/s时材料的硬度最高,为171.2 HV,而激光功率400 W扫描速度1 200mm/s时材料硬度最低,仅为160HV。其原因可能是390 W/1 200 mm/s组合对应较高的扫描速度和较低的激光功率,能量输入适中,有利于形成细小致密的晶粒结构,同时快速凝固过程限制了Si元素的粗大化,维持了良好的基体均匀性,且SiC颗粒分布更加均匀,从而提升材料的整体硬度。而在400W/1 200mm/s条件下,虽然激光功率升高带来更强的熔池扰动,但同时可能引发颗粒偏析、烧蚀或SiC与铝基体反应生成脆性相Al4SiC4,导致材料硬度下降。在相同激光功率下,随着扫描速度从1 000 mm/s增加至1 200mm/s,由于较高的冷却速率导致组织细化,材料硬度总体呈上升趋势;另一方面,快速扫描可减少激光对颗粒的热影响,降低颗粒烧蚀与界面反应程度,使增强效果更明显。总的来看,激光功率390 W、扫描速度1 200mm/s为最佳参数组合,在兼顾致密度、颗粒分布和晶粒细化的同时,有效避免了过强界面反应带来的负面效应,从而实现了较高的硬度表现。

图5 不同工艺参数对应的硬度
Fig.5 Hardness corresponding to different process parameters

2.4 断口形貌分析

图6为SLM成形20SiC-AlSi10Mg 1 000倍断口形貌,由于材料脆性过大,未经过拉伸就发生了断裂,故只能对现有的断口进行分析。通过图6观察发现大量的孔洞出现在断口组织形貌中,其中孔洞内有SiC颗粒。此次断裂是典型的脆性断裂,主要区域全为放射区域,无韧窝出现。通过图6c的断口形貌可以明显观察出材料主要在Al4SiC4相的影响下发生断裂,且Al4SiC4组织周围有大量的SiC颗粒,说明铝基体与SiC在激光的作用下发生了反应,生成了Al4SiC4脆性相,使材料脆性极大,无法拉伸出拉伸曲线。总体来说,需要在SiC表面附着一层涂层,使得材料在激光增材制造时,SiC颗粒无法与铝基体反应生成脆性相,从而保证材料的韧性。

图6 SLM成形SiCP(20%)/AlSi10Mg不同工艺参数下断口形貌:(a)390W,1 000mm/s;(b)390W,1 200mm/s;(c)400W,1 000mm/s;(d)400W,1 200mm/s;(e)410W,1 000mm/s;(f)410W,1 200mm/s
Fig.6 Fracture surface morphology under different SLM process parameters for forming SiCP(20vol.%)/AlSi10Mg:(a)390W,1 000mm/s;(b)390W,1 200mm/s;(c)400W,1 000mm/s;(d)400W,1 200mm/s;(e)410W,1 000mm/s;(f)410W,1 200mm/s

3 结论

(1)当激光功率390W,扫描速度1 200 mm/s时,试样内部的裂纹和孔洞较其他工艺参数时更少,此时SiC颗粒在铝基体中分布均匀,与铝基体有理想熔合界面。

(2)材料的硬度随着不同激光功率在160~175 HV之间变化,当扫描速率为1 000 mm/s时,随着激光功率的升高,材料的硬度逐渐升高,在410 W时达到峰值172.3 HV;而当扫描速率为1 200mm/s时,随着激光功率的升高,硬度变化幅度较大,在390W时硬度最大达到171.2HV。

(3)选区激光熔化成形SiCP(20%)增强Al基复合材料的最佳工艺区间为激光功率390W,扫描速度1 200mm/s。

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Study on the Process Optimization and Properties of 20 vol.% SiC Particle Reinforced Aluminium Matrix Composites Prepared by Selective Laser Melting

WU Yixing1,LIU Yongqin1,GAO Zhiming2,KANG Xiangjin1,GUO Ruping1,ZHI Xiyu1,ZHU Man1

(1. School of Materials and Chemical Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710016,China;2. College of Mechanical Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

Abstract:Parts formed via selective laser melting (SLM) technology exhibit rapid solidification characteristics while enabling the fabrication of complex geometries,making it widely applicable in the aerospace,automotive,and medical fields. Thus,a 20 vol.% SiC particle-reinforced AlSi10Mg composite was developed via SLM to investigate how varying scanning speeds and laser powers affect microstructure and mechanical properties. The results indicate that the hardness fluctuates between 160~175 HV depending on the laser power. At the 1 000 mm/s scanning speed,the hardness of the material gradually increases,reaching a peak of 172.3 HV at 410 W. However,at the 1 200 mm/s scanning speed,the hardness significantly varies,reaching a maximum of 171.2 HV at 390 W. Notably,the samples processed at 390 W and 1 200 mm/s present fewer internal cracks and pores,with SiC particles uniformly distributed within the aluminium matrix and forming an ideal fusion interface.

Key words:selective laser melting;SiCP particles;Al-based composites;Vickers hardness

DOI:10.16410/j.issn1000-8365.2026.5152

中图分类号:TG665

文献标识码:A

文章编号:1000-8365(2026)02-0182-07

收稿日期: 2025-07-17

基金项目: 陕西省重点研发计划(2025CY-YBXM-021)

作者简介: 吴怡星,2001年生,硕士生.研究方向为激光增材制造铝基复合材料的制备技术及缺陷形成机制.Email:15709271855@163.com

通信作者: 刘永勤,1982年生,副教授.研究方向为金属凝固和激光增材制造理论及技术. Email:yq_liu760@126.com

引用格式: 吴怡星,刘永勤,高志明,康祥晋,郭茹萍,职希玉,朱满.选区激光熔化制备20%SiC颗粒增强铝基复合材料的工艺优化及性能研究[J].铸造技术,2026,47(2):182-188.
WU Y X,LIU Y Q,GAO Z M,KANG X J,GUO R P,ZHI X Y,ZHU M. Study on the process optimization and properties of 20vol.%SiC particle reinforced aluminium matrix composites prepared by selective laser melting[J]. Foundry Technology,2026,47(2):182-188.

(责任编辑:宫文婧)