激光選區(qū)熔化在SiCp/Al復(fù)合材料制備方面的應(yīng)用*

劉 博，劉翠霞

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021)

SiCp/Al復(fù)合材料具有與其他傳統(tǒng)材料相比相對較為良好的導(dǎo)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(shù)、較強的耐腐蝕性和與傳統(tǒng)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(shè)計與制造、汽車主要零配件生產(chǎn)制造等各個領(lǐng)域，逐漸成為新興的金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的重要研究熱點[1]。目前在現(xiàn)有的實際的生產(chǎn)與生活當(dāng)中，較為常用的用于生產(chǎn)或加工SiCp/Al復(fù)合材料的方法中，最主要同時也是使用最多的就是傳統(tǒng)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(fù)合材料的現(xiàn)有的主要制備生產(chǎn)流程的工藝設(shè)計環(huán)節(jié)中，存在著非常多的能夠顯著影響材料物理化學(xué)性能的外界環(huán)境因素，這些外界環(huán)境因素都會直接或間接地影響到SiCp/Al復(fù)合材料成品的使用性、成品率、質(zhì)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(dǎo)熱性、復(fù)合材料的膨脹系數(shù)也具有相對較小的特點，特別適合設(shè)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(shù)SiC顆粒的Al基復(fù)合材料的制備難度極大，致使嚴(yán)重的影響了這種復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

1 碳化硅鋁基復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備方法

20世紀(jì)80年代以來，許多的研究學(xué)者針對不同含量的碳化硅顆粒增強型鋁基復(fù)合材料進行了許多專門針對不同應(yīng)用環(huán)境的研究，尤其是為了制備除了性能較好以外，質(zhì)量還相對較為穩(wěn)定的碳化硅顆粒增強型鋁基復(fù)合材料，在實際生產(chǎn)和生活中，所應(yīng)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(shù)、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(yù)，結(jié)合成為粉須或片晶狀態(tài)，再經(jīng)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(tài)，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(wěn)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(jù)我們實際的生產(chǎn)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(zhì)量比進行配比，從而獲得不同的體積比和質(zhì)量含有率的復(fù)合材料，而且這種方法也已成為了現(xiàn)階段主流的制備 SiCp增強Al基復(fù)合材料的主要手段。然而，粉末冶金技術(shù)方法還是存在著很多缺點和不足之處，例如生產(chǎn)成本相對較高、技術(shù)過程和生產(chǎn)工藝比較繁瑣、變量過多產(chǎn)品的實際質(zhì)量極易受到影響等[4-6]。

美國的DWA公司現(xiàn)在就已經(jīng)能夠成功的使用傳統(tǒng)的粉末冶金的制備方法，并且能夠在實際的生產(chǎn)制備過程中制備得以SiCp/Al復(fù)合材料為主體結(jié)構(gòu)成分的自行車主體結(jié)構(gòu)框架、以及生產(chǎn)了一些在其他方面可以使用的其他的特種機械結(jié)構(gòu)、特種機械設(shè)備或者使用更為廣泛的特種機械制支撐設(shè)備的支撐架主體結(jié)構(gòu)或主體受力部分零件等特殊用途的產(chǎn)品，并且生產(chǎn)的產(chǎn)品也已經(jīng)已逐步向民用商品或低成本商品的方向發(fā)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(shè)計與制備SiCp/Al復(fù)合材料的研究領(lǐng)域內(nèi)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(tǒng)的粉末冶金制備工藝的方法結(jié)合傳統(tǒng)的熱擠壓加工方法為主要的生產(chǎn)工藝，通過此方法制備并得到了體積分數(shù)達到為12%的SiCp/Al復(fù)合材料，并通過一系列的實驗測定出了這種特定的復(fù)合材料在T6態(tài)下所獨有的拉伸等力學(xué)特性，并且進一步的分析了很多關(guān)于這種材料的微觀結(jié)構(gòu)如：晶胞和顯微微觀組織結(jié)構(gòu)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(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料在T6態(tài)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(fù)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(fù)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(chǎn)生的不同性質(zhì)，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(guān)的民用的使用性能分析，經(jīng)過這一系列的研究發(fā)現(xiàn)：對復(fù)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(dāng)SiCp的體積分數(shù)能夠達到20%或者以上時，能夠得到的復(fù)合材料的摩擦性能達到最佳水平，當(dāng)然也僅限于這個數(shù)值區(qū)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(dāng)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(fù)合材料，并且在通過一系列的性能測試測試之后，發(fā)現(xiàn)材料能夠達到實驗或者實際生產(chǎn)生活所預(yù)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(jié)合傳統(tǒng)的粉末冶金生產(chǎn)工藝，在實驗室條件下，研究制備生產(chǎn)出的含有SiCp/Al等的復(fù)合材料，其外部可觀測的界面主要類型包括：輕微化學(xué)反應(yīng)型的材料界面和干凈性的材料界面兩種，輕微化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(fā)現(xiàn)，幾乎完全無任何化學(xué)反應(yīng)物；與目前傳統(tǒng)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(fù)合材料產(chǎn)品相比，現(xiàn)代高能機械球磨復(fù)合粉末冶金制備方法并非是不會直接有效改變化學(xué)材料的外觀界面或者形狀，同時也達到了預(yù)期的目標(biāo)。

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(tài)或半穩(wěn)定狀狀的合金材料進行充分混合，然后再將其澆注到預(yù)制的模型或者鑄錠中。攪拌式鑄造法主要具有生產(chǎn)工藝流程短、設(shè)備簡便、操作容易、成本低廉、對于顆粒物質(zhì)的種類和尺寸所需要的適應(yīng)區(qū)域范圍寬等諸多優(yōu)點，是研究和制備 SiCp/Al復(fù)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(yè)、機械制造和運動體育器材等領(lǐng)域己經(jīng)發(fā)展了許多領(lǐng)域，并且在各個領(lǐng)域都有很多不同應(yīng)用的實際生產(chǎn)案例，比如制造剎車結(jié)構(gòu)中剎車缸的缸體部分、傳動軸的生產(chǎn)、空調(diào)的壓縮機中壓縮室的缸體以及內(nèi)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(chǎn)、齒輪或變速器種的轉(zhuǎn)換器的制造等。采用外力干預(yù)的攪拌式鑄造法制備得到SiCp/Al復(fù)合材料時，因制備變量較多，很容易就會產(chǎn)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(tǒng)制造工藝之中出現(xiàn)的問題，以及經(jīng)常會生成譬如Al4C3等界面反應(yīng)產(chǎn)物。與其他的制備制造工藝相比，通過外力干預(yù)的攪拌式鑄造法制備的SiCp/Al復(fù)合材料成品相對其他方法的成品率較低，內(nèi)部缺陷較多，氣孔率偏高。

因為采用攪拌式鑄造技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、所使用的材料類型和形狀更加多元化的明顯技術(shù)優(yōu)勢，被業(yè)界廣泛認為此項技術(shù)是一種具有良好的市場前景且能夠廣泛被使用的SiCp/Al復(fù)合材料。但時在實際的生產(chǎn)生活當(dāng)中，各種不同的復(fù)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(yán)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(chǎn)過程中產(chǎn)生界面反應(yīng)Al+SiC→Al4C3+Si，可以利用液相攪拌方法鑄造并得到室溫下復(fù)合材料組織，SiCp/Al的不同的界面與界面相互之間結(jié)合良好、實際使用性能穩(wěn)定，SiCp能夠顯著的提高室溫下鋁基復(fù)合材料整體的拉伸強度與應(yīng)力應(yīng)變水平，與此同時，也能顯著的提高復(fù)合材料中鋁基復(fù)合材料基體的在室溫環(huán)境下與高溫環(huán)境下等不同的常見應(yīng)用場景中的硬度。蘇海等[10]利用磁力攪拌鑄造法，結(jié)合傳統(tǒng)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(fù)合材料板材試樣，經(jīng)過其團隊對試樣板材材料的分析與研究發(fā)現(xiàn)：SiCp能夠較為均勻地彌散分布在板材材料中與鑄錠當(dāng)中，大部分的SiCp沿著基體材料的晶界呈現(xiàn)出彌散分布的狀態(tài)，其中只有相對較為少數(shù)的增強體顆粒在基體材料中，彌散的分布于其晶界組織內(nèi)部；通過使用這種方法，制備所得到的顆粒增強復(fù)合材料，其增強體顆粒增強后的的鋁基復(fù)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(nèi)部的很多點缺陷諸如顯微孔洞、縮松縮孔等結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(xiàn)出較為明顯的流線狀的分布狀態(tài)，并由此方法得到的實驗室條件下的顆粒增強的鋁基復(fù)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(fù)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(tài)金屬磁控制機械攪拌鑄造法所制備得到的SiCp/6061Al復(fù)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(xué)性能的實驗方法對其各項工藝參數(shù)逐項的進行了參數(shù)優(yōu)化。其最終的研究結(jié)果所表明：當(dāng)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(fù)合材料。在其實驗的研究范圍內(nèi)，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(jié)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(jié)中發(fā)現(xiàn)，影響鑄造缺陷密度的主要影響因素的大小順序可以總結(jié)為：攪拌溫度的影響>攪拌速度>攪拌時間的影響。國內(nèi)外很多材料領(lǐng)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(guī)界面且能夠互相相容的Al2O3/Al顆粒增強的鋁基復(fù)合材料。K.M.Shoro-wordi等多位不同國家的專家利用高溫液態(tài)金屬磁力攪拌的方法，成功的制備出了B4C/Al復(fù)合材料，幾乎無任何化學(xué)界面性和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的直接生成，且它們的化學(xué)界面性和化學(xué)產(chǎn)物結(jié)合性比其他SiCp/Al、Al2O3/Al三類復(fù)合材料良好。

2 現(xiàn)代激光選區(qū)熔化技術(shù)

當(dāng)采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法，直接將未經(jīng)特殊處理的SiCp加入到實驗使用的復(fù)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(jié)構(gòu)存在著較大的差異，導(dǎo)致其界面之間結(jié)合存在著一定的問題，界面之間存在較為嚴(yán)重的物理和化學(xué)相容性問題，導(dǎo)致在高溫?zé)Y(jié)成型時，使得SiCp發(fā)生降解，降低復(fù)合材料的最終性能，特別針對加入SiCp體積分數(shù)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(fù)合材料致密度較低、力學(xué)性能較差，因此激光選區(qū)熔化法可以有效解決這一問題。

激光增材選區(qū)零件熔化加工技術(shù)是目前國內(nèi)金屬材料增材零件加工技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)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(fù)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(jīng)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(fù)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(fù)雜球形金屬結(jié)構(gòu)，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(shù)課程是20世紀(jì)80年代基于“離散/堆積”的力學(xué)原理迅速演進發(fā)展而來的一種以現(xiàn)代計算機科學(xué)為基礎(chǔ)主導(dǎo)技術(shù)輔助的綜合工程學(xué)科以設(shè)計(CAD)、數(shù)控技術(shù)、高能效測量束和各種新型材料等多門專業(yè)技術(shù)課程作為理論基礎(chǔ)的新興金屬制造工程技術(shù)，目的之一的也就是直接快速地開發(fā)生產(chǎn)和設(shè)計制造出并研發(fā)設(shè)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(shù)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(shù)可以直接使企業(yè)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(jīng)逐步發(fā)展成為，集成了CAD制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光器零件制造工藝技術(shù)和金屬材料制造工藝等等，結(jié)合各種系列的現(xiàn)代化的工業(yè)科技的文明成果，是先進的工程裝備技術(shù)制造生產(chǎn)領(lǐng)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?？焖俨牧铣尚图夹g(shù)的大多數(shù)應(yīng)用技術(shù)都已經(jīng)可以被民用化，能夠廣泛用來加工或者制備用于生產(chǎn)或?qū)嶋H生活做需要的新型復(fù)合材料，尤其是例如陶瓷基復(fù)合材料這種，傳統(tǒng)生產(chǎn)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(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，存在著較大的不同，在后續(xù)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(lǐng)域當(dāng)中，可以免除相當(dāng)一部分的后續(xù)的很多加工工藝或者加工流程。但快速成型制備技術(shù)所制備的復(fù)合材料也不都是完美的，在實際的生產(chǎn)或者使用過程也會存在很多沒有預(yù)想到或者設(shè)計到的一些弊端，例如，此項技術(shù)就是通過使用高功率的激光束，高溫熔化SiCp/Al復(fù)合粉末，并以此來制備得到復(fù)合材料的，高能激光因為要考慮的因素很多，可調(diào)節(jié)的功率范圍非常窄，甚至在有些特定的環(huán)境下是難以進行調(diào)節(jié)的，這是由SiCp/Al復(fù)合粉末自身的局限性或者激光的特性所決定的，在現(xiàn)有的實驗室條件下是很難改變的。

基于現(xiàn)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(fù)合材料，再通過調(diào)節(jié)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(fù)合材料由于其組織均勻、細微，SiC分解產(chǎn)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(zhì)二氧化硅的生成。也可以利用高能激光制造設(shè)備，制備具有雙層結(jié)構(gòu)的SiC/Al熔覆結(jié)構(gòu)，且在這種結(jié)構(gòu)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(shù)手段來制備具有相對較高純度與致密度的金屬基復(fù)合材料(尤其制備得到的材料是與傳統(tǒng)的通過粉末冶金方法合成的金屬基復(fù)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(qū)熔化技術(shù)的方法制備得到的SiCp/Al復(fù)合材料，所得到的顆粒增強復(fù)合材料與傳統(tǒng)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(chǔ)，制備得到的SiCp/A356復(fù)合材料的物理及化學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，SiCp/Al復(fù)合材料的顯微硬度比未使用顆粒增強的復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)在實驗室條件下經(jīng)過使用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備得到的SiCp/A356復(fù)合材料在使用高純度且SiCp粒徑為7 μm、顆粒的體積分數(shù)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(qū)熔化粉末制備技術(shù)在制備SiCp/Al基復(fù)合材料上具有非常大的應(yīng)用潛力，實際生產(chǎn)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(fā)。

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

3 結(jié) 語

激光選區(qū)熔化相比于粉末冶金法和攪拌式鑄造方法，可以顯著提高SiCp的體積分數(shù)，所制備的SiCp/Al基復(fù)合材料較少出現(xiàn)氣孔、夾雜、顆粒團聚、偏析等鑄造缺陷。SiCp/Al復(fù)合材料的增強顆粒在基體中的分布較為均勻、得到的復(fù)合材料的顯微硬度與其他方法相比較高，且得到的致密度在目前研究水平下具有較高的程度。同時激光選取熔化能做到較高的精度和很高的復(fù)雜程度，可以自動、快速、直接將三維設(shè)計轉(zhuǎn)化成實物模型，縮短研發(fā)周期。但是目前仍然還存在著原材料的獲取成本高，制造的設(shè)備昂貴，技術(shù)尚不成熟等問題需要得到進一步解決。