激光選區熔化在SiCp/Al復合材料制備方面的應用*

2023-01-15 19:37:53劉翠霞

廣州化工 2022年14期

劉博，劉翠霞

(西安工業大學，陜西西安 710021)

SiCp/Al復合材料具有與其他傳統材料相比相對較為良好的導熱性能、與此同時還具有其他同類材料少有的較高的比剛度與比強度、且其具有相對較低的熱膨脹系數、較強的耐腐蝕性和與傳統材料相比較為易于塑件加工、接近清潔性等特點，廣泛適用于我國航空航天、飛行器制造、軍事裝備制造、電子密封元件設計與制造、汽車主要零配件生產制造等各個領域，逐漸成為新興的金屬基復合材料領域的重要研究熱點[1]。目前在現有的實際的生產與生活當中，較為常用的用于生產或加工SiCp/Al復合材料的方法中，最主要同時也是使用最多的就是傳統的粉末冶金法[2]或磁力控制下的攪拌鑄造法[3]等主要方法，在SiCp/Al復合材料的現有的主要制備生產流程的工藝設計環節中，存在著非常多的能夠顯著影響材料物理化學性能的外界環境因素，這些外界環境因素都會直接或間接地影響到SiCp/Al復合材料成品的使用性、成品率、質量和性能等，其中就以SiC顆粒含量為例，如果SiC顆粒所占的比例較高時，得到的SiC增強材料就具有相對較高的導熱性、復合材料的膨脹系數也具有相對較小的特點，特別適合設計制造用于電子封裝及熱控元器件的材料，而目前由于高體積分數SiC顆粒的Al基復合材料的制備難度極大，致使嚴重的影響了這種復合材料的廣泛應用。

1 碳化硅鋁基復合材料的傳統制備方法

20世紀80年代以來，許多的研究學者針對不同含量的碳化硅顆粒增強型鋁基復合材料進行了許多專門針對不同應用環境的研究，尤其是為了制備除了性能較好以外，質量還相對較為穩定的碳化硅顆粒增強型鋁基復合材料，在實際生產和生活中，所應用的主要的制備方式包括以以下兩種為首的：粉末冶金技術、攪拌和鑄造方法等。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法主要指通過混合基體合金中的粉末顆粒與增強體顆粒，通過外界刺激或者外界干預，結合成為粉須或片晶狀態，再經過冷壓、封裝、除氣及高溫高壓條件下的致密變形(其中包括使用熱壓、熱擠壓、熱軋等不同方法)處理。通常采用粉末冶金的制備方法所制備得到的材料中，SiC顆粒呈不均勻的彌散分布狀態，且其分布情況相對宏觀較均勻、微觀不均勻、顯微組織相對較為細小、且其組合得到的基體性能相對較為穩定、同時也能夠具有不低的相對強度、以及相對較為良好的熱塑性，并且它們可以根據我們實際的生產生活的需要改變SiCp的比例，使其與鋁基體的粉末以不同的體積比和質量比進行配比，從而獲得不同的體積比和質量含有率的復合材料，而且這種方法也已成為了現階段主流的制備 SiCp增強Al基復合材料的主要手段。然而，粉末冶金技術方法還是存在著很多缺點和不足之處，例如生產成本相對較高、技術過程和生產工藝比較繁瑣、變量過多產品的實際質量極易受到影響等[4-6]。

美國的DWA公司現在就已經能夠成功的使用傳統的粉末冶金的制備方法，并且能夠在實際的生產制備過程中制備得以SiCp/Al復合材料為主體結構成分的自行車主體結構框架、以及生產了一些在其他方面可以使用的其他的特種機械結構、特種機械設備或者使用更為廣泛的特種機械制支撐設備的支撐架主體結構或主體受力部分零件等特殊用途的產品，并且生產的產品也已經已逐步向民用商品或低成本商品的方向發展。美國的ARCO公司、英國的BP公司等很多在材料研究方面久負盛名的研究公司，也都在設計與制備SiCp/Al復合材料的研究領域內取得了許多可見的研究成果。程南璞等[7]首先采用的就是以傳統的粉末冶金制備工藝的方法結合傳統的熱擠壓加工方法為主要的生產工藝，通過此方法制備并得到了體積分數達到為12%的SiCp/Al復合材料，并通過一系列的實驗測定出了這種特定的復合材料在T6態下所獨有的拉伸等力學特性，并且進一步的分析了很多關于這種材料的微觀結構如：晶胞和顯微微觀組織結構形貌，以及由此所展開的，分析了因其獨有的形貌所改變的物理及化學性能，發現這種復合材料在T6態下，對比從基體中分離出來的β-Mg2Si相，相對比其基體材料，有了極為明顯的增強作用。在鋁基復合材料中，由于不同組分的加入，例如SiCp的不同體量的加入，使通過這種方法能夠得到的不同的復合材料在物理性能方面如：屈服強度、彈性模量和抗拉強度等不同方面，因其顆粒加入所產生的不同性質，得到的材料與其原本的基體合金材料相比，均有了大幅度的提高，分別提高了39.3%，32.8%和33.5%。Soheil Mahdavi[8]對通過粉末冶金的方法制備得到的SiCp/6061Al進行了許多物理性能及相關的民用的使用性能分析，經過這一系列的研究發現：對復合材料進行提純后，再進行固溶處理(550 ℃、2 h)+時效處理(170 ℃、7 h)，當SiCp的體積分數能夠達到20%或者以上時，能夠得到的復合材料的摩擦性能達到最佳水平，當然也僅限于這個數值區間。DaisyNestler等[9]通過使用增加高能球磨這一工藝流程，在實際的制備過程中減少了很多不必要的變量，比如徹底解決了例如作為增強劑的碳化硅顆粒在基體當中普遍存在的，類似分布不均勻顆粒度相差較大的問題，并且他們還利用在實際制備過程中增加高能球磨這一工藝流程的方法在實際制備過程中，得到了體積比率為15%的SiCp/Al復合材料，并且在通過一系列的性能測試測試之后，發現材料能夠達到實驗或者實際生產生活所預期的物理或使用性能。采用使用先進的高能顆粒球磨機的幫助，結合傳統的粉末冶金生產工藝，在實驗室條件下，研究制備生產出的含有SiCp/Al等的復合材料，其外部可觀測的界面主要類型包括：輕微化學反應型的材料界面和干凈性的材料界面兩種，輕微化學反應型的材料界面是由一個獨立的SiCp的表面和這個顆粒附近的具有一定化學活性的基體及其中的離子MgAl2O4組成的一種微觀界面，干凈性的材料界面上，以目前的觀測手段發現，幾乎完全無任何化學反應物；與目前傳統的高能機械球磨混合材料粉末冶金制備方法所需要制備的高能機械復合材料產品相比，現代高能機械球磨復合粉末冶金制備方法并非是不會直接有效改變化學材料的外觀界面或者形狀，同時也達到了預期的目標。

1.2 攪拌鑄造法

攪拌式磁力鑄造方法主要是指利用機械裝置，通過磁力或者其他外界作用力，攪拌加熱裝置將增強體中的顆粒材料和固態或半穩定狀狀的合金材料進行充分混合，然后再將其澆注到預制的模型或者鑄錠中。攪拌式鑄造法主要具有生產工藝流程短、設備簡便、操作容易、成本低廉、對于顆粒物質的種類和尺寸所需要的適應區域范圍寬等諸多優點，是研究和制備 SiCp/Al復合材料的有效方法。攪拌式鑄造方法在我國民用航空、飛行器工業、機械制造和運動體育器材等領域己經發展了許多領域，并且在各個領域都有很多不同應用的實際生產案例，比如制造剎車結構中剎車缸的缸體部分、傳動軸的生產、空調的壓縮機中壓縮室的缸體以及內部零件的制造、以及一些特殊活塞的制作、剎車軸的實際生產、齒輪或變速器種的轉換器的制造等。采用外力干預的攪拌式鑄造法制備得到SiCp/Al復合材料時，因制備變量較多，很容易就會產生出各種各樣的鑄造缺陷，其中主要以常見的包括氣孔、夾雜、顆粒團聚、偏析等傳統制造工藝之中出現的問題，以及經常會生成譬如Al4C3等界面反應產物。與其他的制備制造工藝相比，通過外力干預的攪拌式鑄造法制備的SiCp/Al復合材料成品相對其他方法的成品率較低，內部缺陷較多，氣孔率偏高。

因為采用攪拌式鑄造技術具有生產成本低、所使用的材料類型和形狀更加多元化的明顯技術優勢，被業界廣泛認為此項技術是一種具有良好的市場前景且能夠廣泛被使用的SiCp/Al復合材料。但時在實際的生產生活當中，各種不同的復合材料在加熱或者熔煉的工作過程中，必須要要求我們的實際操作者能夠嚴格的控制加熱裝置的熔體溫度，以便盡可能地會減少一部分或者能夠避免在生產過程中產生界面反應Al+SiC→Al4C3+Si，可以利用液相攪拌方法鑄造并得到室溫下復合材料組織，SiCp/Al的不同的界面與界面相互之間結合良好、實際使用性能穩定，SiCp能夠顯著的提高室溫下鋁基復合材料整體的拉伸強度與應力應變水平，與此同時，也能顯著的提高復合材料中鋁基復合材料基體的在室溫環境下與高溫環境下等不同的常見應用場景中的硬度。蘇海等[10]利用磁力攪拌鑄造法，結合傳統的熱擠壓工藝制備的方法，在實驗室條件下，制備常溫下可以得到的SiCp/2024復合材料板材試樣，經過其團隊對試樣板材材料的分析與研究發現：SiCp能夠較為均勻地彌散分布在板材材料中與鑄錠當中，大部分的SiCp沿著基體材料的晶界呈現出彌散分布的狀態，其中只有相對較為少數的增強體顆粒在基體材料中，彌散的分布于其晶界組織內部；通過使用這種方法，制備所得到的顆粒增強復合材料，其增強體顆粒增強后的的鋁基復合材料，在對其材料基體施加以一定程度的熱擠壓變形后，其內部的很多點缺陷諸如顯微孔洞、縮松縮孔等結構，與其他常見的鑄造缺陷均有較為明顯的消除或者明顯的減少，其內部破碎的晶界組織與第二相及SiCp受力與溫度的影響，沿著熱擠壓施加壓力的方向呈現出較為明顯的流線狀的分布狀態，并由此方法得到的實驗室條件下的顆粒增強的鋁基復合材料的物理性能諸如：強度、韌性和塑性等，均在實驗增強后得到不同程度，不同幅度的提高；對于這種板材所進行(490 ℃，1 h)的固溶處理后再使用(177 ℃，8 h)的時效處理后，其復合材料的整體與各向抗拉強度均得到明顯的增加，最高的達到了 430 MPa。王樂軍等[11]主要是利用對其宏觀與微觀組織進行對比分析的方法，對比的研究了在使用磁攪拌工藝的方法，對主要時以高溫液態金屬磁控制機械攪拌鑄造法所制備得到的SiCp/6061Al復合材料中，SiCp的分布情況和其均勻性以及是否會受到常見鑄造缺陷的影響，并且運用了常見的正交分析其物理及化學性能的實驗方法對其各項工藝參數逐項的進行了參數優化。其最終的研究結果所表明：當溫度達到760 ℃，攪拌的速度為1200 r/min時，攪拌的時間約為25 min的工藝條件下，能夠得到SiCp分布相對其他條件下更為均勻、且鑄造缺陷也要相對減少很多的SiCp/Al復合材料。在其實驗的研究范圍內，通過綜合各種外界因素對SiCp在基體中的分布的分布情況，可以把外界影響其均勻性的影響的大小順序總結為如下順序：攪拌速度的影響>攪拌時間>攪拌溫度的影響；在對其通過鑄造得到的材料試樣的鑄造缺陷的的研究與總結中發現，影響鑄造缺陷密度的主要影響因素的大小順序可以總結為：攪拌溫度的影響>攪拌速度>攪拌時間的影響。國內外很多材料領域的專家，在同一時期，通過利用對基體材料進行合金化改良方法或其他種種的改良方法，通過能否對Al2O3/Al界面進行提前潤濕作為切入點，并以此方法改良，制備得到了不同于常規界面且能夠互相相容的Al2O3/Al顆粒增強的鋁基復合材料。K.M.Shoro-wordi等多位不同國家的專家利用高溫液態金屬磁力攪拌的方法，成功的制備出了B4C/Al復合材料，幾乎無任何化學界面性和化學反應產物的直接生成，且它們的化學界面性和化學產物結合性比其他SiCp/Al、Al2O3/Al三類復合材料良好。

2 現代激光選區熔化技術

當采用傳統的粉末冶金方法，直接將未經特殊處理的SiCp加入到實驗使用的復合材料的基體中時，SiCp與金屬基體之間因為非金屬與金屬材料其結構存在著較大的差異，導致其界面之間結合存在著一定的問題，界面之間存在較為嚴重的物理和化學相容性問題，導致在高溫燒結成型時，使得SiCp發生降解，降低復合材料的最終性能，特別針對加入SiCp體積分數超過0.6時，采用粉末冶金法和攪拌鑄造法獲得的SiCp/Al基復合材料致密度較低、力學性能較差，因此激光選區熔化法可以有效解決這一問題。

激光增材選區零件熔化加工技術是目前國內金屬材料增材零件加工技術領域的關鍵技術之一，它主要用于采用各種高能量且低密度的金屬激光器以及組合復雜球形球狀的組合零件作為激光增材加工時使用的熱源，在經過激光加熱后的金屬光斑反射聚焦長度范圍大約為20～100 μm，選擇一個溶化后的金屬顆粒作為長度在5～50 μm間的復雜球形球狀金屬粉末，可以快速獲取熔化出高于多自由度的復雜球形金屬結構，生成幾個精度近乎百分之百的高密度球形金屬增材零件，其零件的表面處理粗糙度最大范圍可以達到20～30 μm，尺寸控制精度的最大范圍可達20～50 μm[12]。

快速金屬成型制造技術課程是20世紀80年代基于“離散/堆積”的力學原理迅速演進發展而來的一種以現代計算機科學為基礎主導技術輔助的綜合工程學科以設計(CAD)、數控技術、高能效測量束和各種新型材料等多門專業技術課程作為理論基礎的新興金屬制造工程技術，目的之一的也就是直接快速地開發生產和設計制造出并研發設計出各種高密度、高強度的各種特殊功能性新型金屬材料零件。該成像技術有效地徹底解決了在圖CAD中三維幾何造型的“看得見，摸不著”的困難，并且技術可以直接使企業用戶對電腦屏幕上的各種三維幾何造型圖像快速而又自動地對其進行三維實體化。它已經逐步發展成為，集成了CAD制造技術、數控技術、激光器零件制造工藝技術和金屬材料制造工藝等等，結合各種系列的現代化的工業科技的文明成果，是先進的工程裝備技術制造生產領域中不可或缺的一部分，其工藝的重要性與使用性、實用性都是不可或缺的組成的一部分。快速材料成型技術的大多數應用技術都已經可以被民用化，能夠廣泛用來加工或者制備用于生產或實際生活做需要的新型復合材料，尤其是例如陶瓷基復合材料這種，傳統生產方式難以制造或難以加工的材料，而通過在制備過程中使用快速成型方法，制備所得到的復合材料與傳統材料相比，存在著較大的不同，在后續的加工過程中，需要進行的加工的余量非常小，甚至在有些要求相對較低的使用領域當中，可以免除相當一部分的后續的很多加工工藝或者加工流程。但快速成型制備技術所制備的復合材料也不都是完美的，在實際的生產或者使用過程也會存在很多沒有預想到或者設計到的一些弊端，例如，此項技術就是通過使用高功率的激光束，高溫熔化SiCp/Al復合粉末，并以此來制備得到復合材料的，高能激光因為要考慮的因素很多，可調節的功率范圍非常窄，甚至在有些特定的環境下是難以進行調節的，這是由SiCp/Al復合粉末自身的局限性或者激光的特性所決定的，在現有的實驗室條件下是很難改變的。

基于現有條件下的快速加工成形原理，可以使用先進的激光加工工藝，快速的成形并制備得到SiCp/Al復合材料，再通過調節高能激光束的移動，加熱熔化同向輸送的SiCp/Al混合粉末，在基板上直接加工成形研磨出來的薄壁樣品。所制備的SiCp/Al復合材料由于其組織均勻、細微，SiC分解產物含水量很低而且其分布均勻并含有少量Al4C3、Al4SiC4及其他單質二氧化硅的生成。也可以利用高能激光制造設備，制備具有雙層結構的SiC/Al熔覆結構，且在這種結構中SiCp分布相對較均勻。S.Kumar等[13]分析了在實驗室條件下，如何通過激光迅速成形的技術手段來制備具有相對較高純度與致密度的金屬基復合材料(尤其制備得到的材料是與傳統的通過粉末冶金方法合成的金屬基復合材料相對比)。從實驗的角度證實了，通過有選擇地選擇性使用激光選區熔化技術的方法制備得到的SiCp/Al復合材料，所得到的顆粒增強復合材料與傳統粉末冶金法得到的材料相比，具有相對較為良好的性能，同時既增強了顆粒的分布均勻性也減少了缺陷的密度。B.Mondal等[14]通過研究以快速成型的方法為基礎，制備得到的SiCp/A356復合材料的物理及化學性能發現，SiCp/Al復合材料的顯微硬度比未使用顆粒增強的復合材料基體相比，顯微硬度能夠測得明顯的增高很多。A.Simchi[15]研究了SiCp/A356復合材料在實驗室條件下的制備過程中的致密化過程和其微觀條件下的微觀結構的變化，發現在實驗室條件下經過使用激光選區熔化技術制備得到的SiCp/A356復合材料在使用高純度且SiCp粒徑為7 μm、顆粒的體積分數為5%時得到的成品試樣的微觀組織的致密化程度最為良好。激光選區熔化粉末制備技術在制備SiCp/Al基復合材料上具有非常大的應用潛力，實際生產中成本以及操作難度還有大量的壓縮空間，還需要進一步研究和開發。

任何一種全新的技術的實施與發展都將會面臨著種種巨大的機遇和挑戰，激光選區熔化屬于3D打印技術，雖然是具有先進的技術性、且就目前來看其應用范圍也十分廣泛，但目前還存在很多影響因素。

3 結語