張?zhí)祚Y，張 明，祁俊峰，季禹曈

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高和導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)對(duì)鋁合金的強(qiáng)度提出了更高的要求。目前，增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度的方法主要有如下2種：1)添加SiC、TiC、Al2O3等增強(qiáng)體，獲得高性能的鋁基復(fù)合材料[4]；2)改變合金組分，獲得高性能鋁合金[5]。本文選擇第1種方法，面向航空航天需求，采用選區(qū)激光熔化工藝成形3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得了強(qiáng)度更高的3D打印鋁基復(fù)合材料。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用機(jī)械混合，混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的SiC增強(qiáng)AlSi10Mg復(fù)合材料粉末，SiC平均粒徑為5 μm。AlSi10Mg粉末化學(xué)成分測(cè)試按照GB/T 20975-2008系列標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果見表1。

AlSi10Mg粉末的粉末粒度測(cè)試按照GB/T 19077.1—2008《粒度分析激光衍射法》執(zhí)行。AlSi10Mg粉末的粒度分布如圖1所示。

復(fù)合材料粉末形貌如圖2所示。由圖2可以看出，SiC均勻附著在鋁合金顆粒表面，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)前將粉末烘干處理，烘干溫度為 80 ℃，保溫時(shí)間為4 h。

圖2 3%SiC/AlSi10Mg粉末的顯微形貌

采用EOS M290設(shè)備成形試樣，相位角 67°，層厚30 μm，掃描間距190 μm，激光功率選擇370 W，掃描速度1 300 mm/s。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金相試樣制備流程對(duì)塊體試樣橫截面進(jìn)行打磨、拋光和凱勒試劑腐蝕，使用掃描電鏡觀察成形后試樣的顯微組織。利用顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣的顯微硬度值，按照一定間隔有序打出一系列壓痕并記錄(本文取20個(gè)壓痕)，最終取平均值作為試樣的顯微硬度值。室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010的方法進(jìn)行，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT5205進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

3%SiC/AlSi10Mg和AlSi10Mg材料的力學(xué)性能如圖3所示。由圖3可知，對(duì)比基體材料，添加了SiC的鋁基復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度得到提高，達(dá)到498 MPa，而延伸率有所降低，僅為2.7%；熱處理后，3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到358 MPA，延伸率為4.5%，強(qiáng)度相比AlSi10Mg材料提高了15.5%。AlSi10Mg材料的顯微硬度為118 HV，3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料顯微硬度為143 HV，3%SiC/AlSi10Mg材料的強(qiáng)度和硬度均有提高，這是由于SiC作為硬質(zhì)第二相，本身具有高強(qiáng)度，同時(shí)彌散分布于基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3 3%SiC/AlSi10Mg和AlSi10Mg材料的力學(xué)性能

2.2 斷口

3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料的斷口SEM掃描形貌如圖4所示。在拉伸過程中，復(fù)合材料首先在邊緣形成裂紋源，繼而擴(kuò)散至整個(gè)斷面。在1 000倍倍率下，可以觀察到裂紋源處存在明顯的SiC聚集，說明SiC的團(tuán)聚是引起復(fù)合材料開裂的原因。

圖4 3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料的斷口形貌

2.3 顯微組織

采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料試樣的顯微組織，并用其自帶的能譜檢測(cè)儀檢測(cè)元素成分及分布。成形試樣的微觀組織如圖5所示，由圖5可以明顯看到，其顯微組織包含基體和彌散分布的SiC相?；w由白色的硅以及暗色的α-Al兩相組成，硅連成片成條狀分布于α-Al 邊界。

圖5 3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料的顯微組織

3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料試樣的典型缺陷如圖6所示。由圖6可以看出，AlSi10Mg材料組織細(xì)小且致密，SiC顆粒在基體中呈不均勻分布，出現(xiàn)局部團(tuán)聚，且SiC和基體界面結(jié)合質(zhì)量差，存在裂紋。分析認(rèn)為，鋁合金熔池與SiC潤(rùn)濕性較差，SLM成形凝固時(shí)間快，液相金屬不能填滿界面縫隙，從而產(chǎn)生微裂紋，這類裂紋可能成為斷裂裂紋發(fā)生源，降低材料的塑性。

圖6 3%SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料裂紋缺陷

3 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)SLM成形SiC/AlSi10Mg復(fù)合材料的顯微組織由細(xì)小的鋁-硅共晶相和SiC第二相組成，SiC分布不均勻，存在局部團(tuán)聚現(xiàn)象，界面處存在微小裂紋。

2)添加SiC顆粒提高鋁基材料的硬度。這是由于SiC作為硬質(zhì)第二相，本身具有高硬度，同時(shí)彌散分布于基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度。

3)拉伸試樣在邊緣處形成裂紋源斷裂，SiC團(tuán)聚是形成鋁基復(fù)合材料裂紋源，導(dǎo)致開裂，降低材料塑性的主要原因。