丝粉同步激光增材制备铝基复合材料薄壁件组织性能研究

摘要

随着空间技术的发展，复合材料的应用环境日益苛刻。在特殊的应用环境下，复合材料除了要具有密度小，比强度高，热膨胀系数小，耐磨性好等优点外，还要具有一定的射线屏蔽性能。WCp/Al作为一种新型的复合材料，受到了材料界的广泛关注。由于WCp/Al复合材料机械加工困难，限制了WCp/Al的应用。丝粉同步激光增材制造技术(简称WPDL)，结合了单独送丝和送粉沉积的优点，非常适合制备铝基复合材料，可以有效的减少机械加工，为WCp/Al的制备提出了新思路。
　　试验采用丝粉同步增材制造技术制备 WCp/4047Al复合材料薄壁件。但是WPDL法制备复合材料，和传统方法有很大的不同。所以，本文研究的目的在于探究WPDL法制备WCp/4047Al复合材料薄壁件工艺过程的控制，以及制备方法和外加增强相对材料组织的影响。
　　本文通过正交试验法，研究激光功率，扫描速度和送粉量等对单层单道沉积层尺寸影响的关键因素。在此基础上，进行多层单道薄壁结构复合材料的制备。针对沉积层随着高度增加，熔池出现下淌的问题，提出了采用激光功率梯度递减的方法，有效的改善了薄壁件的成形。复合材料物相分布和硬度的结果表明，激光功率不能无限下降，存在一个最低临界值。
　　为了对材料的物相进行精确分析，试验综合了XRD，SEM，EDS和TEM等手段。复合材料中除了含有Al，Si，WC，Ti外，还包括原位生成的Al3Ti，Al4W和TiC。未熔的Ti颗粒周围生成了Al3Ti化合物；部分WC周围则生成了TiC，Al4W和Al3Ti组成的界面，尺寸在100~200nm之间。不添加外加增强相时，ɑ-Al组织具有定向生长的特性。外加增强相的加入，打破了组织定向生长的条件。首先，未融化的WC和Ti颗粒，会阻碍ɑ-Al定向生长；ɑ-Al凝固的固液界面前沿，Al3Ti与Al发生了包晶反应，发生了非均匀形核，破坏了ɑ-Al定向生长条件。
　　所制备的复合材料强度在230~248MPa之间。退火后材料强度有微小的下降，复合材料组织没有变化。固溶处理后，基体上析出了尺寸在2μm左右的Si颗粒，材料的强度也下降到了接近母材的水平。WC的裂纹主要萌生在过度溶解的 WC边界和反应较弱的W C边界，裂纹会向W C内部扩展；Ti颗粒周围较厚的反应层是裂纹的主要发源地，裂纹产生后会向基体扩展；Al3Ti与 Al界面较好，裂纹一般从内部产生，但是固溶处理后，受到拉伸力作用时，Al3Ti与基体脱开。原位拉伸结果显示，裂纹首先在WC边界开裂，加载到一定载荷时，Ti界面和Al3Ti相才开始开裂；虽然WC界面容易开裂，但是裂纹一般会向WC内部传递，Ti界面虽然后开裂，但是裂纹会迅速传向基体，导致材料最终的断裂。
　　相比于6061Al，复合材料的热膨胀系数从27×10-6℃-1减小到21.5×10-6℃-1。WCp/Al复合材料与4047Al腐蚀电位相差不多，但是极化电流密度相差一个数量级，分别为2.99×10-6A/cm2与5.05×10-7A/cm2，复合材料的耐腐蚀性下降。干摩擦结果显示，WCp/Al复合材料与4047Al的摩擦系数相差不多，都在0.4到0.5之间。但是磨损后，复合材料的磨痕宽度和磨痕深度均小于4047Al，材料的耐磨性得到提高。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1 引言

2.2 试验材料与设备

2.3 组织结构分析

2.4 性能测试

第3章 WCp/Al复合材料制备工艺研究

3.1 引言

3.2 单道沉积层尺寸显著性影响因素确定

3.3 立体成型与搭接成形优化

3.4 本章小结

第4章 复合材料物相分析及沉积墙组织演化

4.1 引言

4.2 复合材料物相分析

4.3 沉积层物相分布

4.4 复合材料界面分析

4.5 沉积层组织形态演变

4.6 本章小结

第5章 WCp/Al复合材料性能分析

5.1 引言

5.2 材料物理性能测试

5.3 复合材料力学性能

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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