選區(qū)激光熔化制備金剛石/鋁復合材料的缺陷研究

蘇振華， 劉 剛， 代 兵， 曹康麗， 朱嘉琦

(1. 哈爾濱工業(yè)大學 航天學院， 哈爾濱 150000) (2. 上海衛(wèi)星裝備研究所， 上海 200240)

相比傳統(tǒng)成型工藝，近年來，增材制造以其低周期、低成本的優(yōu)勢備受關注。其中，選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術是被最廣泛應用的增材制造工藝之一。通常應用于SLM的材料以合金為主，如不銹鋼[1]、鋁合金[2]、鈦合金[3]、鎳基合金[4]等。同時，金屬基復合材料的SLM工藝也引起了研究人員的廣泛關注。DADBAKHSH等[5]將Fe3O4粉末與鋁合金粉末混合，研究了金屬基復合材料在SLM成型過程中出現(xiàn)孔洞的成因。GHOSH等[6]利用SLM工藝制備了致密度較高的SiC/Al復合材料。然而，由于其較為特殊的成型工藝特點，目前制備高摻雜量的復合材料的致密度仍然有待提高。

SLM成型過程如下[7]：(a)在基板上鋪一層金屬粉末，利用激光按照預先設計的路徑掃描一次，被掃過的區(qū)域?qū)占す饽芰慷刍?b)當該層路徑被掃描一次后則鋪設下一層粉末，重復掃描與鋪粉的步驟，直至獲得所需要的高度為止。成型過程中工藝參數(shù)的控制十分重要[1-3]。主要可以控制的工藝參數(shù)有：激光功率、激光光斑直徑、掃描速度、掃描間距、掃描方式、鋪粉層厚、基板溫度等。通過改變上述工藝參數(shù)可以有效控制粉床和熔池的溫度。為獲得高致密度復合材料，在SLM成型之后，通?？梢圆捎玫褥o壓等后處理工藝。陳鵬等[8]采用冷等靜壓工藝，使激光燒結(jié)成型后的SiC材料致密度大幅度提升，從而獲得高致密度陶瓷材料。

金剛石/金屬復合材料結(jié)合了金剛石與金屬各自的優(yōu)點，因其優(yōu)異的物理性能被廣泛應用于各類場景，如金剛石刀具[9]、熱沉[10]等。金剛石/鋁復合材料便是其中廣受關注的一類材料，通常被用于電氣設備的散熱，其較高的熱導率和較低的密度是普通金屬材料所無法企及的。目前，通過傳統(tǒng)工藝可以獲得高熱導率、高致密度的金剛石/鋁復合材料。傳統(tǒng)制備金剛石/鋁復合材料的工藝有：粉末冶金[11]、高壓熔滲法[12]等。然而，復合材料中金剛石的高摻雜量使其難以進行機械加工。因此，大尺寸和形狀復雜的零件的制備是限制其應用的最主要原因。受到工藝條件的制約，依靠傳統(tǒng)工藝制備金剛石/鋁復合材料異構件是難以實現(xiàn)的。因此，尋求不同以往的新工藝以突破形狀尺寸的制約成為共識。

近年來，備受關注的增材制造是思路之一：利用增材制造的特點，無需模具便可制造大尺寸的異構件，十分契合目前制備金剛石/鋁復合材料的需求。TIAN等[13]基于SLM工藝成功制備金剛石摻雜的Ni718合金多孔骨架。YANG等[14]利用激光燒結(jié)工藝成功制備了金剛石/Ni-Cr基刀具，發(fā)現(xiàn)金剛石和金屬基體即使在無外部加壓條件下也能通過激光燒結(jié)獲得良好的界面結(jié)合。然而，目前利用SLM制備的金剛石/鋁復合材料仍存在許多不足之處，其主要問題是高孔隙率以及金剛石熱損傷問題。

為了改善金剛石與金屬基的界面結(jié)合力，同時在成型過程中保護金剛石避免受到激光直接作用而造成熱損傷，有必要在金剛石表面鍍覆過渡層[10]。金剛石表面鍍覆層通常為碳化物過渡層(TiC，WC等)、金屬過渡層(Ni，Cu，W等)以及碳化物與金屬復合鍍層。金剛石/鋁復合材料的傳統(tǒng)制備工藝(粉末冶金、高壓熔滲法等)都面臨著金剛石與基體的界面結(jié)合問題。界面結(jié)合較弱會導致復合材料在冷卻過程中會因基體和金剛石熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生界面開裂，最終損害了復合材料整體的力學性能與熱導率。由此，在金剛石和基體之間通常會引入過渡層，以改善界面結(jié)合力。引入過渡層的方法分別有：金剛石表面金屬化和基體金屬合金化。在此次試驗中，選擇金剛石表面金屬化，引入TiC鍍層。

以金剛石顆粒為原料，通過鹽浴鍍工藝在其表面鍍覆TiC過渡層；與AlSi10Mg粉末混合后，在不同的SLM工藝下成型。探究復合材料致密度與成型功率和掃描速度的關系，并對缺陷產(chǎn)生的過程與原因進行分析。

1 試驗材料與方法

目前國內(nèi)外對SLM制備金剛石/鋁復合材料的研究較少[15]，尚處于起步階段。經(jīng)試驗室前期摸索制定了以下的實施方案。

1.1 試驗原料

粒徑的選擇對成型的結(jié)果存在一定影響：粒徑較小時，由于比表面積相對較大，最終會導致界面處存在過多復合材料，不利于材料致密化[16-17]；而粒徑過大則不利于成型過程中鋪粉的均勻性[18]。綜合考慮，選用了粒徑150 μm左右的金剛石顆粒；含鋁材料選用了選區(qū)激光熔化常用的AlSi10Mg，粉末粒徑為23～75 μm。金剛石顆粒與含鋁材料按照體積比3∶7均勻混合，混合后的粉末如圖1a所示。

金剛石表面鍍覆有利于復合材料界面的結(jié)合。在此次試驗中，利用了鹽浴鍍覆工藝在金剛石表面鍍覆了一層TiC。鹽浴鍍覆工藝較為成熟，其基本原理為金剛石與鈦粉在700～1 200 ℃發(fā)生反應，在金剛石表面產(chǎn)生TiC。國內(nèi)有許多學者公開報道了試驗原理和具體工藝[19-20]。本試驗的具體流程如下：將金剛石、鈦粉、NaCl、KCl按照質(zhì)量比1.0∶1.0∶1.0∶1.2混合，在900 ℃下保溫1 h，便可獲得如圖1b所示的TiC鍍覆金剛石顆粒。

(a)選區(qū)激光熔化原料Raw material of SLM(b)TiC鍍覆的金剛石顆粒 TiC coated diamond圖1 SLM粉末形貌 Fig. 1 Morphology of SLM powder

1.2 復合材料的制備與表征

SLM工藝是利用激光提供能量熔化金屬粉末，在成型過程中希望金剛石顆?？梢员３衷行蚊捕皇艿綋p傷。當成型過程中激光能量較高時金剛石容易產(chǎn)生熱損傷，局部甚至全部石墨化，因此控制成型過程的參數(shù)極為重要。對于金剛石/鋁復合材料而言，溫度場的合理設計也是十分重要的，其將直接決定成型后的致密度及性能。通過各個參數(shù)之間的相互配合可以設計出合理的熔池溫度場分布以及升溫降溫速度。本次試驗選用的參數(shù)如下：掃描層厚60 μm、掃描速度150～450 mm/s、掃描功率150～250 W、掃描間距0.12 mm、層與層之間的掃描方向呈正交關系。在此次試驗中制備了10 mm×10 mm×6 mm的塊體。

該試驗中，通過掃描電子顯微鏡獲取塊體材料微觀形貌圖像；復合材料的致密度則根據(jù)排水法得到的實際密度與理論密度相比較而獲得。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 缺陷分析

成型后的復合材料如圖2所示，其表面均呈黑色、平整度較差。在成型過程中熔體流動嚴重受阻，產(chǎn)生了明顯的球化現(xiàn)象；且由于金剛石的添加，在成型過程中熔池受到金剛石的影響無法與下層基體相互焊合。表面能最低形成了球化現(xiàn)象，球化的區(qū)域在接下來的成型過程中不斷長大，最終導致表面粗糙不平。球化過程如圖3所示。

圖2 金剛石/鋁復合材料

圖3 SLM過程中的球化示意圖

利用排水法測得復合材料實際密度，與理論密度對比得到了材料的致密度。理論密度則忽略了金剛石在成型過程中的損失。圖4為不同激光功率和掃描速度下制備的金剛石/鋁復合材料的致密度。分析圖4曲線可知：當激光功率較小而掃描速度較快時，復合材料致密度低；隨著激光功率提高與掃描速度減慢，復合材料致密度逐漸提高；當激光功率進一步提高時，致密度變化趨于減緩；當掃描速度為150 mm/s，激光功率為250 W時，致密度大幅度下降。

圖4 復合材料的致密度

在激光成型過程中，單位區(qū)域的能量輸入對致密度有較大影響[21]。在本試驗中可以認為粉床單位區(qū)域所吸收的能量與激光功率成正比，與掃描速度成反比。因此，以激光功率/掃描速度的值μ為橫坐標，以致密度φ為縱坐標，可以得到單位輸入能量與致密度的散點圖(圖5)。

圖5 致密度與單位能量的關系

當單位輸入能量小于0.8 J/mm時，致密度隨著單位輸入能量增加而逐步提升；在單位輸入能量處于0.8～1.5 J/mm時，致密度變化趨于平緩；而當單位輸入能量高于1.5 J/mm時，致密度開始下降。其原因可歸結(jié)如下[22]：當單位輸入能量較低時，熔體溫度較低，熔體黏滯力大，流動性較小，無法實現(xiàn)有效的致密化；隨著輸入單位能量的提高，材料溫度上升，熔體流動性提高，熔化區(qū)尺寸增加，促進了致密化的過程；而當單位輸入能量過高時(在本試驗中大于1.5 J/mm)，熔體內(nèi)溫度梯度較高，由表面張力驅(qū)動的熔體運動加劇，這反而不利于復合材料的致密化。

在復合材料內(nèi)部存在少量的局部燒蝕的金剛石，如圖6所示。此次試驗選用的TiC鍍層并沒有起到保護金剛石避免熱損傷的作用。本試驗采用的是1 064 nm激光，該波長為目前SLM設備普遍選用。鋁對1 064 nm激光的吸收率較低[23]，而TiC對1 064 nm激光吸收率較高[24]。當激光照射到金剛石時，由于其表面TiC鍍層存在，材料吸收了大量激光能量，金剛石溫度突然升高。因此，金剛石發(fā)生熱損傷而石墨化[25]，形成了燒蝕坑，同時形成了復合材料的黑色表面。

圖6 金剛石熱損傷形貌

圖7為金剛石/鋁復合材料選區(qū)激光熔化制備過程中飛濺出的粉末。成型過程中，熔池可以達到2 000 ℃以上[22]，熔池內(nèi)存在巨大的溫度梯度；馬蘭戈尼效應使得熔液受較大的張力作用而飛濺出熔池。同時，金剛石顆粒也會依附于飛濺出的粉末顆粒表面，最終形成如圖7所示的殘渣形貌。從圖7中可以觀察到金剛石表面鍍層形貌保持良好，說明短時間存在的熔池并不會對金剛石產(chǎn)生熱損傷。金剛石與基體結(jié)合部位(圖7箭頭處)存在明顯間隙，缺少冶金結(jié)合，表明界面結(jié)合較差。

圖7 選區(qū)激光熔融過程中飛濺出的顆粒

圖8為激光功率400 W，掃描速度200 mm/s下的金剛石/鋁復合材料斷口的形貌。圖8中大部分金剛石僅僅依附在基體上，沒有很好地融入基體內(nèi)部，基體之間存在大量的孔隙，被金剛石相互隔離。圖9為金剛石與鋁基體的結(jié)合界面。從圖9可以看出：在成型過程中，金剛石表面與基體潤濕角明顯大于90°(圖9箭頭處)，表明潤濕性較差。

圖8 金剛石/鋁復合材料斷口形貌

圖9 金剛石與基體界面形貌

2.2 成型過程分析

結(jié)合選區(qū)激光熔化工藝成型特點和對缺陷形貌的分析，選區(qū)激光熔化工藝制備金剛石/鋁復合材料過程主要總結(jié)如下：

(1)當含鋁材料直接受到激光照射時，其迅速升溫達到熔點并熔化，形成熔池。而當金剛石顆粒直接受到激光照射時，金剛石受照射區(qū)域石墨化，形成石墨團簇并分散在熔池內(nèi)，產(chǎn)生金剛石熱損傷，同時使材料表面呈黑色。

(2)在熔池形成之后，由于表面張力存在，熔液聚集在一起，而金剛石顆粒也因此受到作用力而相互靠攏，成型“柵欄”。金剛石與熔體的潤濕性較差，柵欄之間的孔隙無法被填充，因而形成了大量的孔洞。

圖10為復合材料內(nèi)部孔洞形成的過程。在激光下一層掃描的過程中，金剛石柵欄同樣阻止了熔池對孔洞的填充，最終導致了金剛石/鋁復合材料致密度低。金剛石/鋁復合材料同時存在孔隙率高以及金剛石熱損傷的問題。為提高材料性能應從以下2方面著手：首先，選擇合適的過渡層材料以改善激光損傷和潤濕性問題；其次，考慮到材料激光成型過程，應設計合適的溫度場，提高熔體的填充能力、減輕金剛石的熱損傷。

圖10 金剛石/鋁復合材料孔洞形成過程

3 試驗結(jié)論

此次試驗選用了TiC鍍覆金剛石與含鋁材料，按照體積比3∶7均勻混合，利用SLM工藝成功制備了金剛石/鋁復合材料，根據(jù)成型后復合材料的致密度、金剛石顆粒形貌、斷口特征以及飛濺而成的殘渣形貌，分析和總結(jié)了復合材料在選區(qū)激光熔化工藝中的形成過程與缺陷成因，得出如下結(jié)論：

(1)試驗成功制備了金剛石/鋁復合材料，但是仍然存在許多缺陷，其致密度受輸入能量的影響，隨著粉床接收的單位輸入能量的提高，復合材料致密度先增大后減小。

(2)金剛石/鋁復合材料孔隙率高的主要原因是：在SLM成型過程中，基體與金剛石顆粒無法得到充分潤濕，金剛石顆粒的存在阻礙了熔體的流動。

(3)金剛石顆粒熱損傷的主要原因是：在此次試驗中使用的激光為1 064 nm波長激光，TiC鍍層對1 064 nm波長激光吸收率較高，從而使得局部金剛石溫度突然升高形成石墨團簇，造成了金剛石的燒蝕。