本技术介绍了一种创新的增材制造方法,该方法利用选区激光熔化技术,在铝硅合金中原位合成纳米颗粒强化相。通过在制造过程中引入氮气和碳元素,实现了纳米颗粒的均匀分布,从而显著提高了材料的力学性能和耐磨性。
背景技术
选区激光熔化技术是一种根据金属零件的三维切片模型,采用激光作为高能热源自下而上、逐点逐线逐层选择性熔化金属粉末,最终实现金属复杂构件无模具、全致密、近净成形的增材制造技术。与传统减材制造技术相比,该技术的特点在于成形灵活性高、大大节约时间与成本、适于制造结构复杂的金属零件、可有效减少传统制造工艺中焊缝和零部件数量。从而实现高可靠性、集约化和轻量化制造,尤其适合复杂结构零件的精密快速制造,是一种极具发展前景的快速成形技术。尽管激光选区熔化技术有诸多上述优势,但其成形零件依然存在不足,如成形件强度较低。
铝硅合金是铸造铝合金中使用最广泛的合金之一。为了提高其力学性能,目前主要采取了以下几种方法。首先,通过添加第二相来增强合金性能。在铝硅合金中,通常会加入少量的镁元素,经过热处理后形成Mg2
Si相。然而,由于Mg2
Si相的数量相对较少,其对力学性能的提升有限。此外,尽管向铝硅合金中添加微米增强相能够提升其抗拉强度和屈服强度,但这往往导致韧性和塑性显著降低,且存在机加工困难和增强相分布不均等问题,这些都对铝硅合金的应用造成了严重限制。另一种方法是细化凝固组织。快速冷却技术在凝固过程中得到了广泛应用,而选区激光熔化技术以其急速凝固和快速冷却的特点,使得制备的合金通常具有均匀且细小的晶粒组织。对于铝硅合金而言,细化凝固组织是获得高性能铝合金的关键。然而,由于铝硅合金熔体具有高热导率和高温等特性,如何在凝固过程中更有效地细化其组织一直是一个挑战。
在凝固过程中,纳米颗粒不仅能有效细化铝硅合金的凝固组织,还能起到第二相强化的作用。与微米增强相相比,纳米增强相能够更大程度地提高铝硅合金的机械强度,同时保持良好的韧性。由于纳米增强相具备出色的机械性能、导电性和热物理性能等特点,它在强化铝合金方面具有巨大的潜力。在纳米增强相强化的铝硅合金中,纳米增强相不仅能够影响硅相的尺寸和形貌,还能进一步提升铝硅合金的性能。
在金属材料金制备领域,选区激光熔化增材制造过程以其极高的凝固和冷却速率著称,使得合金的晶粒相对细小。为实现材料性能的进一步提升,常用的方法是在合金熔体中添加多种合金元素。以铝硅合金为例,常用的处理方法有细化初生α-Al相、优化共晶硅的细化和变质,以及细化初生硅。纳米颗粒增强相的应用在材料强化方面尤为突出,它们不仅能够促进铝硅合金中硅相(包括初生硅和共晶硅)的细化,还能细化初生α-Al相,同时纳米颗粒还能发挥第二相强化的作用,从而显著提高铝硅合金的强度。纳米颗粒的加入还能显著改善铝硅合金的塑性和韧性。此外,纳米颗粒细化初生α-Al相的机制在于它们能够在初生α-Al表面形成纳米颗粒层,这一结构有效阻碍了初生α-Al的生长,进而实现了晶粒的细化。这种细化效果有助于提升铝硅合金的整体性能,使其在众多应用领域中更具竞争力。
实现思路