納米鋁合金在激光沉積技術(shù)中的應(yīng)用研究

李陽(yáng)陽(yáng) 張邱帥 張洲銘 申豪杰

摘要：本文設(shè)計(jì)了制備納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末的步驟 ，分析了鋁合金材料的缺點(diǎn)及在激光沉積加工中出現(xiàn)的問(wèn)題，建立激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的成形控制系統(tǒng)，研究了激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁組織演變機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理和對(duì)熔體的熱傳遞和熔體流動(dòng)的影響機(jī)制，得出加入碳化鈦納米顆粒的方式增強(qiáng)鋁合金材料的各種性能是可行的。

關(guān)鍵詞： 納米鋁合金;演變機(jī)理;強(qiáng)化機(jī)理;可行

1.設(shè)計(jì)和制備納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末

納米顆粒增強(qiáng)鋁粉的研究路線

1）納米陶瓷顆粒的選擇

基于納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)、潤(rùn)濕性、化學(xué)反應(yīng)性、耐火性和高溫下在金屬熔液中的溶解度等因素優(yōu)選納米顆粒的種類。納米顆粒種類（碳化物、硼化物、硅化物）及形貌（線形、球形）的選擇對(duì)微結(jié)構(gòu)性能的改善有著重要的意義。因此，

選擇納米粒子的要求是：

（a） 在加工溫度（無(wú)或最小化學(xué)反應(yīng)）下熔體熱力學(xué)穩(wěn)定;

（b） 基體合金與納米粒子之間有良好的界面結(jié)合;

（c） 至少一維小于 100nm;（d）商業(yè)化或易于合成。

TiC 或 TiB2 納米顆?；緷M足上述選擇標(biāo)準(zhǔn)且有商業(yè)前景，因此本項(xiàng)目擬采用 TiC 或 TiB2 納米作為鋁粉的增強(qiáng)相。

2）納米顆粒增強(qiáng)鋁粉的制備

擬采用熔鹽輔助自滲入法制備納米顆粒增強(qiáng)鋁粉?；局苽淞鞒倘缦拢?/p>

（a）將 NaCl/LiCl 鹽粉末、納米顆粒和 Al 微粒在機(jī)械振蕩器中進(jìn)行攪拌混合;

（b）在氬氣保護(hù)下放入坩堝進(jìn)行加熱熔融后繼續(xù)在氬氣保護(hù)環(huán)境下冷卻;

（c）將冷卻樣品在蒸餾水中反復(fù)溶解過(guò)濾收集粉末;

（d）將粉末在真空爐中干燥。

研究加熱溫度、加熱時(shí)間、納米顆粒的含量、熔鹽的成分配比、超聲波振動(dòng)參數(shù)對(duì)納米顆粒生長(zhǎng)的影響，以獲得納米顆粒尺寸小、分布均勻、納米顆粒為球形、表面無(wú)缺陷的工藝參數(shù)作為優(yōu)化工藝參數(shù)。

3）納米顆粒增強(qiáng)鋁粉的表征

使用貝克曼庫(kù)爾特 LS13320系列激光粒度分析儀來(lái)確定納米增強(qiáng)鋁粉末的尺寸分布。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察粉體的粒徑和形貌。采用聚焦離子束系統(tǒng)（FIB）鎵離子傾斜刻蝕，獲得粉末與納米顆粒傾斜橫截面，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋁粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鋁粉和納米顆粒的界面結(jié)構(gòu)。

2.建立激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的成形控制系統(tǒng)

基于鋁合金激光熔化易氧化的特點(diǎn)，搭建具有抗氧化性的試驗(yàn)平臺(tái)。擬采用小型矩形密封腔充入惰性氣體進(jìn)行氣氛保護(hù)。首先用真空泵抽掉密封腔中的空氣，再在密封腔里面實(shí)時(shí)充入高純惰性氣體，使用氧含量檢測(cè)儀對(duì)密封腔氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使激光熔化沉積試樣始終在惰性氣體保護(hù)氛圍內(nèi)。

改變激光工藝參數(shù)激光功率、掃描速度、送粉速度、搭接率、掃描方式，和納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末中納米顆粒含量，進(jìn)行單道單層熔覆、單道多層熔覆以及多道單層熔覆、多道多層熔覆制備試樣。研究激光工藝參數(shù)及納米顆粒含量與沉積層表面成形形貌的關(guān)系。

采用加拿大LD-600 高功率激光深熔焊接在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔覆層質(zhì)量，實(shí)時(shí)研究激光工藝參數(shù)及納米顆粒含量與熔覆層質(zhì)量之間的關(guān)系，分析熔覆層內(nèi)氣孔、裂紋、層間熔合不良等缺陷的控制性因素。以此為依據(jù)，優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)。

基于熔深的反饋控制系統(tǒng)，建立激光工藝參數(shù)-熔覆層表面成形形貌-熔覆層質(zhì)量的映射關(guān)系，對(duì)激光工藝參數(shù)進(jìn)行反饋控制。

3.激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁組織演變機(jī)理

制備微觀組織分析試樣，采用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察晶粒尺寸、形態(tài)和分布，分析激光工藝參數(shù)和納米顆粒的含量對(duì)晶粒尺寸、形態(tài)和分布的影響規(guī)律。結(jié)合納米顆粒在熔池中的分布特性以及激光作用下的熔池特性，基于納米顆粒對(duì)元素濃度梯度、溫度梯度、冷卻速度三方面的影響，分析納米顆粒促進(jìn)晶粒細(xì)化、均勻，由樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶的機(jī)制。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、透射電子顯微鏡（TEM/HRTEM）、X 射線衍射儀（XRD）分別觀察沉積層的顯微組織，確定沉積層中的相組成，分析激光工藝參數(shù)和納米顆粒含量對(duì)顯微組織和相組成的影響 規(guī)律。根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物確定激光沉積過(guò)程中鋁基體和納米顆粒之間發(fā)生的界面反應(yīng)， 闡明鋁基體和納米顆粒之間的相互作用機(jī)制。

4.納米顆粒對(duì)激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的強(qiáng)化機(jī)理

采用顯微硬度儀測(cè)量激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的硬度，采用納米壓痕測(cè)量其彈性模量。制備拉伸試樣，測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能。

結(jié)合不同激光工藝參數(shù)和不同含量納米顆粒得到的激光沉積試樣的組織，分析激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的硬度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能變化的原因，建立工藝參數(shù)-組織-力學(xué)性能三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從納米顆粒對(duì)晶粒尺寸的影響、納米顆粒自身的強(qiáng)化特性以及其在鋁基體中的分布特性出發(fā)，揭示納米顆粒對(duì)激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的強(qiáng)化機(jī)理。

5.納米顆粒對(duì)熔體的熱傳遞和熔體流動(dòng)的影響機(jī)制

不同含量的納米顆粒增強(qiáng)鋁粉樣品的反射率采用日本島津公司的UV3101PC 分光光度計(jì)測(cè)量，比熱采用差示掃描量熱儀（DSC）來(lái)測(cè)量，熱導(dǎo)率采用激光閃射法測(cè)試，粘度采用震動(dòng)式粘度計(jì)測(cè)量，表面張力采用靜滴法測(cè)量。

采用有限元法對(duì)激光熔化沉積過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，代入反射率的測(cè)量結(jié)果，可以得到納米顆粒對(duì)激光與粉末相互作用的影響。將測(cè)量得到的納米增強(qiáng)鋁粉末及其熔體的物理性能代入數(shù)值模型，可以獲得納米增強(qiáng)鋁的流體動(dòng)力學(xué)、激光熔覆凝固過(guò)程和納米顆粒的再分布。最終，數(shù)值模型將能夠預(yù)測(cè)熔池和熱影響區(qū)的幾何形狀、表面形貌、納米顆粒的再分布、冷卻速率和溫度梯度以及可能的微觀結(jié)構(gòu)。將試驗(yàn)得到的實(shí)際熔池的表面形貌與理論預(yù)測(cè)相比較，進(jìn)而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。由此模型出發(fā)，即可分析納米顆粒對(duì)熔體的熱傳遞和熔體流動(dòng)的影響機(jī)制。

6.可行性分析

研究的關(guān)鍵是在鋁粉末表面制備分散均勻、且與鋁之間具有一定結(jié)合力的納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末，實(shí)現(xiàn)激光熔化沉積納米顆粒增強(qiáng)鋁的制備。研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒加入能改善粉末的熱物理性能，控制熔池的流體動(dòng)力學(xué)，從而改善熔池凝固后表面形貌，這為激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的研究工作奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

因此，該文提出的通過(guò)制備納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末的方式實(shí)現(xiàn)激光增材制造輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金的思路是可行的。

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