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SLM成形低热膨胀系数sicp/Al复合材料的组织与性能调控

SLM成形低热膨胀系数SiCp/Al复合材料的组织与性能调控

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作者：张昭西安工业大学

学位级别：硕士

sicp增强Al基复合材料表现出优异的延性、高模量和低热膨胀率,广泛应用于航空航天、汽车和医疗器械等领域。相较于传统方法,选区激光熔化（SLM）成形技术在制造sicp/alsi10mg复合材料时致密度更高、热膨胀系数更低且力学性能更优。然而... 详细信息

sicp增强Al基复合材料表现出优异的延性、高模量和低热膨胀率,广泛应用于航空航天、汽车和医疗器械等领域。相较于传统方法,选区激光熔化（SLM）成形技术在制造sicp/alsi10mg复合材料时致密度更高、热膨胀系数更低且力学性能更优。然而SLM成形中高体积分数sicp增强Al基复合材料时,sicp与Al基体浸润性差,复合材料存在气孔、裂纹等缺陷。因此需要调控SLM成形工艺,sicp体积分数,选定合适的热处理工艺制备无缺陷、低热膨胀系数的sicp/alsi10mg复合材料。本论文以SLM成形sicp/alsi10mg复合材料为研究对象。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、热机械分析仪、万能力学试验机等方法,研究SLM工艺参数、sicp体积分数、热处理工艺和第二增强相Si颗粒对sicp/alsi10mg复合材料致密度、力学性能和热膨胀性能的影响规律。以下是本文的主要研究成果:（1）阐明了SLM成形工艺对35 vol.%sicp/alsi10mg复合材料组织性能的影响规律。对扫描速度700 mm/s到1100 mm/s范围内SLM成形的复合材料显微组织进行分析,发现扫描速度为900 mm/s时,sicp/alsi10mg复合材料无明显缺陷和裂纹。随着激光功率的增加,复合材料的致密度先增大后减小,在激光功率为390 W时致密度达到最大值92.54%,显微硬度达到最大值183.1 HV0.2。（2）获得了sicp体积分数对sicp/alsi10mg复合材料组织和性能的影响规律。发现当sicp体积分数较低时,复合材料展现出较高的致密度和抗压强度。在sicp体积分数为25%时,致密度和抗压强度分别达到最大值94.56%和502 MPa。当sicp体积分数较高时,复合材料的硬度显著提高,热膨胀系数显著降低。在sicp体积分数为40%时,硬度达到最大值204 HV0.2,热膨胀系数降低至13.8×10-6/℃。（3）获得了热处理对35 vol.%sicp/alsi10mg复合材料性能的影响规律。发现时效处理可以提高复合材料的硬度,但会降低其抗压强度。在热处理温度为175℃时,sicp/alsi10mg复合材料的硬度从沉积态的183.1 HV0.2增加到231.2 HV0.2。随着热处理温度的升高,复合材料的力学性能大幅度下降。在热处理温度为175℃时,复合材料抗压强度下降最小,从沉积态的419 MPa下降至370.59 MPa,但压缩应变达到最大值6.38%。（4）获得了Si的体积分数对sicp/alsi10mg复合材料组织和性能的影响规律。随着Si体积分数的增加,复合材料的抗压强度先增加后降低。（15 vol.%Si+3 vol.%sicp）/alsi10mg复合材料抗压强度达到最大值771.6 MPa,压缩应变达到13.5%。

关键词： SLM sicp/alsi10mg复合材料高体分低热膨胀组织热处理力学性能

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SiC氧化对SLM制备SiC/Al复合材料组织和性能的影响

SiC氧化对SLM制备SiC/Al复合材料组织和性能的影响

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作者：王渭中西安工业大学

学位级别：硕士

SiC/Al复合材料具有密度小、高比强度、高比模量、高热导率等优良性能,是制备高反射率、轻质反射镜的新型优选材料,可广泛应用于航空航天、火控、激光制导及空间光学遥感等领域。但SiC颗粒含量越高,材料硬度越大,越难以机械加工,导致传... 详细信息

SiC/Al复合材料具有密度小、高比强度、高比模量、高热导率等优良性能,是制备高反射率、轻质反射镜的新型优选材料,可广泛应用于航空航天、火控、激光制导及空间光学遥感等领域。但SiC颗粒含量越高,材料硬度越大,越难以机械加工,导致传统工艺制备的SiC/Al复合材料反射镜具有加工难度高、工序复杂、加工周期长和高能耗等弊端。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术通过层层熔化金属粉末的叠加过程实现零件成形,因具有工艺简单、高精度、高致密度、力学性能优良等特点,同时可与先进设计技术相结合,尤其适合生产薄壁件、异型结构件等复杂零件,从而受到国内外广泛关注。本文选用alsi10mg金属粉末和sicp为原料,系统研究SLM工艺参数(激光功率(P)、扫描速度(V)、扫描间距(S))对SiC/alsi10mg复合材料致密度的影响,采用最佳工艺制备了体积分数为10%的sicp/alsi10mg复合材料。为改善sicp与Al基体之间的固/液界面润湿性和结合强度,对sicp进行高温氧化预处理,研究sicp氧化对SLM成形SiC/alsi10mg复合材料显微组织、物相成分、显微硬度、压缩性能、耐腐蚀性能的影响。研究结果如下:(1)获得SiC高温氧化规律。SiC颗粒从800℃开始发生氧化反应,最佳氧化工艺为1200℃保温4h,表面生成非晶SiO2膜可达347.6 nm,颗粒棱角钝化,解理面平台弱化模糊,机械混合的sicp/alsi10mg复合粉末还具有流动性。(2))获得SLM成形sicp/alsi10mg复合材料的最佳工艺参数。当激光功率P=250 W、扫描速度V=1200 mm/s、扫描间距S=0.1 mm,成形件最高致密度为97.72%。激光功率、扫描速度和扫描间距对sicp/alsi10mg复合材料致密度均呈现先增大后减小的变化规律,通过Box-Behnken响应曲面原理获得了 SLM成形sicp/alsi10mg复合材料工艺参数激光功率、扫描速度、扫描间距与致密度的关系模型:RD=90.6826-0.0053P+0.0032V+86.4484S+1.19×10-5PV+0.0459PS-0.0528VS-4×10-5P2+1.17×10-6V2-160.153×S2式中,P为激光功率(W),V为扫描速度(mm/s)、S为扫描间距(mm),RD为致密度(%)。实验发现,扫描速率、激光功率和扫描距对sicp/alsi10mg复合材料致密度的影响程度依次降低,与正交实验方差分析结果一致。(3)sicp氧化对SLM成形sicp/alsi10mg复合材料组织的影响。sicp/alsi10mg复合材料组织由α-Al基体、共晶Si相、原位反应Al4SiC4增强相和SiC颗粒混合组成;经sicp高温氧化预处理的sicp/alsi10mg复合材料组织界面存在清晰的SiO2过渡层,界面结合平整,显微组织相成分与sicp/alsi10mg复合材料相同。(4)sicp氧化对SLM成形sicp/alsi10mg复合材料性能的影响。高温氧化的sicp/alsi10mg复合材料在具备细晶强化、固溶强化、弥散强化三种增强作用下,高载荷传递机制优于未处理sicp/alsi10mg复合材料,因此显微硬度和压缩性能均高于sicp/alsi10mg复合材料。其水平面和垂直面的显微硬度分别为246.25 HV和184.67 HV,屈服强度达到481.9 MPa,延伸率为12.2%,断口形貌中SiC颗粒棱角钝化,与界面结合更好;交流阻抗和极化曲线结果也显示高温氧化的sicp/alsi10mg复合材料的耐蚀性高于sicp/alsi10mg 复合材料。

关键词：选区激光熔化 SiC氧化反应 sicp/alsi10mg复合材料组织性能

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