激光选区熔化在SiCp/Al复合材料制备方面的应用*

刘 博，刘翠霞

(西安工业大学，陕西 西安 710021)

SiCp/Al复合材料具有与其他传统材料相比相对较为良好的导热性能、与此同时还具有其他同类材料少有的较高的比刚度与比强度、且其具有相对较低的热膨胀系数、较强的耐腐蚀性和与传统材料相比较为易于塑件加工、接近清洁性等特点，广泛适用于我国航空航天、飞行器制造、军事装备制造、电子密封元件设计与制造、汽车主要零配件生产制造等各个领域，逐渐成为新兴的金属基复合材料领域的重要研究热点[1]。目前在现有的实际的生产与生活当中，较为常用的用于生产或加工SiCp/Al复合材料的方法中，最主要同时也是使用最多的就是传统的粉末冶金法[2]或磁力控制下的搅拌铸造法[3]等主要方法，在SiCp/Al复合材料的现有的主要制备生产流程的工艺设计环节中，存在着非常多的能够显著影响材料物理化学性能的外界环境因素，这些外界环境因素都会直接或间接地影响到SiCp/Al复合材料成品的使用性、成品率、质量和性能等，其中就以SiC颗粒含量为例，如果SiC颗粒所占的比例较高时，得到的SiC增强材料就具有相对较高的导热性、复合材料的膨胀系数也具有相对较小的特点，特别适合设计制造用于电子封装及热控元器件的材料，而目前由于高体积分数SiC颗粒的Al基复合材料的制备难度极大，致使严重的影响了这种复合材料的广泛应用。

1 碳化硅铝基复合材料的传统制备方法

20世纪80年代以来，许多的研究学者针对不同含量的碳化硅颗粒增强型铝基复合材料进行了许多专门针对不同应用环境的研究，尤其是为了制备除了性能较好以外，质量还相对较为稳定的碳化硅颗粒增强型铝基复合材料，在实际生产和生活中，所应用的主要的制备方式包括以以下两种为首的：粉末冶金技术、搅拌和铸造方法等。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法主要指通过混合基体合金中的粉末颗粒与增强体颗粒，通过外界刺激或者外界干预，结合成为粉须或片晶状态，再经过冷压、封装、除气及高温高压条件下的致密变形(其中包括使用热压、热挤压、热轧等不同方法)处理。通常采用粉末冶金的制备方法所制备得到的材料中，SiC颗粒呈不均匀的弥散分布状态，且其分布情况相对宏观较均匀、微观不均匀、显微组织相对较为细小、且其组合得到的基体性能相对较为稳定、同时也能够具有不低的相对强度、以及相对较为良好的热塑性，并且它们可以根据我们实际的生产生活的需要改变SiCp的比例，使其与铝基体的粉末以不同的体积比和质量比进行配比，从而获得不同的体积比和质量含有率的复合材料，而且这种方法也已成为了现阶段主流的制备 SiCp增强Al基复合材料的主要手段。然而，粉末冶金技术方法还是存在着很多缺点和不足之处，例如生产成本相对较高、技术过程和生产工艺比较繁琐、变量过多产品的实际质量极易受到影响等[4-6]。

美国的DWA公司现在就已经能够成功的使用传统的粉末冶金的制备方法，并且能够在实际的生产制备过程中制备得以SiCp/Al复合材料为主体结构成分的自行车主体结构框架、以及生产了一些在其他方面可以使用的其他的特种机械结构、特种机械设备或者使用更为广泛的特种机械制支撑设备的支撑架主体结构或主体受力部分零件等特殊用途的产品，并且生产的产品也已经已逐步向民用商品或低成本商品的方向发展。美国的ARCO公司、英国的BP公司等很多在材料研究方面久负盛名的研究公司，也都在设计与制备SiCp/Al复合材料的研究领域内取得了许多可见的研究成果。程南璞等[7]首先采用的就是以传统的粉末冶金制备工艺的方法结合传统的热挤压加工方法为主要的生产工艺，通过此方法制备并得到了体积分数达到为12%的SiCp/Al复合材料，并通过一系列的实验测定出了这种特定的复合材料在T6态下所独有的拉伸等力学特性，并且进一步的分析了很多关于这种材料的微观结构如：晶胞和显微微观组织结构形貌，以及由此所展开的，分析了因其独有的形貌所改变的物理及化学性能，发现这种复合材料在T6态下，对比从基体中分离出来的β-Mg2Si相，相对比其基体材料，有了极为明显的增强作用。在铝基复合材料中，由于不同组分的加入，例如SiCp的不同体量的加入，使通过这种方法能够得到的不同的复合材料在物理性能方面如：屈服强度、弹性模量和抗拉强度等不同方面，因其颗粒加入所产生的不同性质，得到的材料与其原本的基体合金材料相比，均有了大幅度的提高，分别提高了39.3%，32.8%和33.5%。Soheil Mahdavi[8]对通过粉末冶金的方法制备得到的SiCp/6061Al进行了许多物理性能及相关的民用的使用性能分析，经过这一系列的研究发现：对复合材料进行提纯后，再进行固溶处理(550 ℃、2 h)+时效处理(170 ℃、7 h)，当SiCp的体积分数能够达到20%或者以上时，能够得到的复合材料的摩擦性能达到最佳水平，当然也仅限于这个数值区间。DaisyNestler等[9]通过使用增加高能球磨这一工艺流程，在实际的制备过程中减少了很多不必要的变量，比如彻底解决了例如作为增强剂的碳化硅颗粒在基体当中普遍存在的，类似分布不均匀颗粒度相差较大的问题，并且他们还利用在实际制备过程中增加高能球磨这一工艺流程的方法在实际制备过程中，得到了体积比率为15%的SiCp/Al复合材料，并且在通过一系列的性能测试测试之后，发现材料能够达到实验或者实际生产生活所预期的物理或使用性能。采用使用先进的高能颗粒球磨机的帮助，结合传统的粉末冶金生产工艺，在实验室条件下，研究制备生产出的含有SiCp/Al等的复合材料，其外部可观测的界面主要类型包括：轻微化学反应型的材料界面和干净性的材料界面两种，轻微化学反应型的材料界面是由一个独立的SiCp的表面和这个颗粒附近的具有一定化学活性的基体及其中的离子MgAl2O4组成的一种微观界面，干净性的材料界面上，以目前的观测手段发现，几乎完全无任何化学反应物；与目前传统的高能机械球磨混合材料粉末冶金制备方法所需要制备的高能机械复合材料产品相比，现代高能机械球磨复合粉末冶金制备方法并非是不会直接有效改变化学材料的外观界面或者形状，同时也达到了预期的目标。

1.2 搅拌铸造法

搅拌式磁力铸造方法主要是指利用机械装置，通过磁力或者其他外界作用力，搅拌加热装置将增强体中的颗粒材料和固态或半稳定状状的合金材料进行充分混合，然后再将其浇注到预制的模型或者铸锭中。搅拌式铸造法主要具有生产工艺流程短、设备简便、操作容易、成本低廉、对于颗粒物质的种类和尺寸所需要的适应区域范围宽等诸多优点，是研究和制备 SiCp/Al复合材料的有效方法。搅拌式铸造方法在我国民用航空、飞行器工业、机械制造和运动体育器材等领域己经发展了许多领域，并且在各个领域都有很多不同应用的实际生产案例，比如制造刹车结构中刹车缸的缸体部分、传动轴的生产、空调的压缩机中压缩室的缸体以及内部零件的制造、以及一些特殊活塞的制作、刹车轴的实际生产、齿轮或变速器种的转换器的制造等。采用外力干预的搅拌式铸造法制备得到SiCp/Al复合材料时，因制备变量较多，很容易就会产生出各种各样的铸造缺陷，其中主要以常见的包括气孔、夹杂、颗粒团聚、偏析等传统制造工艺之中出现的问题，以及经常会生成譬如Al4C3等界面反应产物。与其他的制备制造工艺相比，通过外力干预的搅拌式铸造法制备的SiCp/Al复合材料成品相对其他方法的成品率较低，内部缺陷较多，气孔率偏高。

因为采用搅拌式铸造技术具有生产成本低、所使用的材料类型和形状更加多元化的明显技术优势，被业界广泛认为此项技术是一种具有良好的市场前景且能够广泛被使用的SiCp/Al复合材料。但时在实际的生产生活当中，各种不同的复合材料在加热或者熔炼的工作过程中，必须要要求我们的实际操作者能够严格的控制加热装置的熔体温度，以便尽可能地会减少一部分或者能够避免在生产过程中产生界面反应Al+SiC→Al4C3+Si，可以利用液相搅拌方法铸造并得到室温下复合材料组织，SiCp/Al的不同的界面与界面相互之间结合良好、实际使用性能稳定，SiCp能够显著的提高室温下铝基复合材料整体的拉伸强度与应力应变水平，与此同时，也能显著的提高复合材料中铝基复合材料基体的在室温环境下与高温环境下等不同的常见应用场景中的硬度。苏海等[10]利用磁力搅拌铸造法，结合传统的热挤压工艺制备的方法，在实验室条件下，制备常温下可以得到的SiCp/2024复合材料板材试样，经过其团队对试样板材材料的分析与研究发现：SiCp能够较为均匀地弥散分布在板材材料中与铸锭当中，大部分的SiCp沿着基体材料的晶界呈现出弥散分布的状态，其中只有相对较为少数的增强体颗粒在基体材料中，弥散的分布于其晶界组织内部；通过使用这种方法，制备所得到的颗粒增强复合材料，其增强体颗粒增强后的的铝基复合材料，在对其材料基体施加以一定程度的热挤压变形后，其内部的很多点缺陷诸如显微孔洞、缩松缩孔等结构，与其他常见的铸造缺陷均有较为明显的消除或者明显的减少，其内部破碎的晶界组织与第二相及SiCp受力与温度的影响，沿着热挤压施加压力的方向呈现出较为明显的流线状的分布状态，并由此方法得到的实验室条件下的颗粒增强的铝基复合材料的物理性能诸如：强度、韧性和塑性等，均在实验增强后得到不同程度，不同幅度的提高；对于这种板材所进行(490 ℃，1 h)的固溶处理后再使用(177 ℃，8 h)的时效处理后，其复合材料的整体与各向抗拉强度均得到明显的增加，最高的达到了 430 MPa。王乐军等[11]主要是利用对其宏观与微观组织进行对比分析的方法，对比的研究了在使用磁搅拌工艺的方法，对主要时以高温液态金属磁控制机械搅拌铸造法所制备得到的SiCp/6061Al复合材料中，SiCp的分布情况和其均匀性以及是否会受到常见铸造缺陷的影响，并且运用了常见的正交分析其物理及化学性能的实验方法对其各项工艺参数逐项的进行了参数优化。其最终的研究结果所表明：当温度达到760 ℃，搅拌的速度为1200 r/min时，搅拌的时间约为25 min的工艺条件下，能够得到SiCp分布相对其他条件下更为均匀、且铸造缺陷也要相对减少很多的SiCp/Al复合材料。在其实验的研究范围内，通过综合各种外界因素对SiCp在基体中的分布的分布情况，可以把外界影响其均匀性的影响的大小顺序总结为如下顺序：搅拌速度的影响>搅拌时间>搅拌温度的影响；在对其通过铸造得到的材料试样的铸造缺陷的的研究与总结中发现，影响铸造缺陷密度的主要影响因素的大小顺序可以总结为：搅拌温度的影响>搅拌速度>搅拌时间的影响。国内外很多材料领域的专家，在同一时期，通过利用对基体材料进行合金化改良方法或其他种种的改良方法，通过能否对Al2O3/Al界面进行提前润湿作为切入点，并以此方法改良，制备得到了不同于常规界面且能够互相相容的Al2O3/Al颗粒增强的铝基复合材料。K.M.Shoro-wordi等多位不同国家的专家利用高温液态金属磁力搅拌的方法，成功的制备出了B4C/Al复合材料，几乎无任何化学界面性和化学反应产物的直接生成，且它们的化学界面性和化学产物结合性比其他SiCp/Al、Al2O3/Al三类复合材料良好。

2 现代激光选区熔化技术

当采用传统的粉末冶金方法，直接将未经特殊处理的SiCp加入到实验使用的复合材料的基体中时，SiCp与金属基体之间因为非金属与金属材料其结构存在着较大的差异，导致其界面之间结合存在着一定的问题，界面之间存在较为严重的物理和化学相容性问题，导致在高温烧结成型时，使得SiCp发生降解，降低复合材料的最终性能，特别针对加入SiCp体积分数超过0.6时，采用粉末冶金法和搅拌铸造法获得的SiCp/Al基复合材料致密度较低、力学性能较差，因此激光选区熔化法可以有效解决这一问题。

激光增材选区零件熔化加工技术是目前国内金属材料增材零件加工技术领域的关键技术之一，它主要用于采用各种高能量且低密度的金属激光器以及组合复杂球形球状的组合零件作为激光增材加工时使用的热源，在经过激光加热后的金属光斑反射聚焦长度范围大约为20～100 μm，选择一个溶化后的金属颗粒作为长度在5～50 μm间的复杂球形球状金属粉末，可以快速获取熔化出高于多自由度的复杂球形金属结构，生成几个精度近乎百分之百的高密度球形金属增材零件，其零件的表面处理粗糙度最大范围可以达到20～30 μm，尺寸控制精度的最大范围可达20～50 μm[12]。

快速金属成型制造技术课程是20世纪80年代基于“离散/堆积”的力学原理迅速演进发展而来的一种以现代计算机科学为基础主导技术辅助的综合工程学科以设计(CAD)、数控技术、高能效测量束和各种新型材料等多门专业技术课程作为理论基础的新兴金属制造工程技术，目的之一的也就是直接快速地开发生产和设计制造出并研发设计出各种高密度、高强度的各种特殊功能性新型金属材料零件。该成像技术有效地彻底解决了在图CAD中三维几何造型的“看得见，摸不着”的困难，并且技术可以直接使企业用户对电脑屏幕上的各种三维几何造型图像快速而又自动地对其进行三维实体化。它已经逐步发展成为，集成了CAD制造技术、数控技术、激光器零件制造工艺技术和金属材料制造工艺等等，结合各种系列的现代化的工业科技的文明成果，是先进的工程装备技术制造生产领域中不可或缺的一部分，其工艺的重要性与使用性、实用性都是不可或缺的组成的一部分。快速材料成型技术的大多数应用技术都已经可以被民用化，能够广泛用来加工或者制备用于生产或实际生活做需要的新型复合材料，尤其是例如陶瓷基复合材料这种，传统生产方式难以制造或难以加工的材料，而通过在制备过程中使用快速成型方法，制备所得到的复合材料与传统材料相比，存在着较大的不同，在后续的加工过程中，需要进行的加工的余量非常小，甚至在有些要求相对较低的使用领域当中，可以免除相当一部分的后续的很多加工工艺或者加工流程。但快速成型制备技术所制备的复合材料也不都是完美的，在实际的生产或者使用过程也会存在很多没有预想到或者设计到的一些弊端，例如，此项技术就是通过使用高功率的激光束，高温熔化SiCp/Al复合粉末，并以此来制备得到复合材料的，高能激光因为要考虑的因素很多，可调节的功率范围非常窄，甚至在有些特定的环境下是难以进行调节的，这是由SiCp/Al复合粉末自身的局限性或者激光的特性所决定的，在现有的实验室条件下是很难改变的。

基于现有条件下的快速加工成形原理，可以使用先进的激光加工工艺，快速的成形并制备得到SiCp/Al复合材料，再通过调节高能激光束的移动，加热熔化同向输送的SiCp/Al混合粉末，在基板上直接加工成形研磨出来的薄壁样品。所制备的SiCp/Al复合材料由于其组织均匀、细微，SiC分解产物含水量很低而且其分布均匀并含有少量Al4C3、Al4SiC4及其他单质二氧化硅的生成。也可以利用高能激光制造设备，制备具有双层结构的SiC/Al熔覆结构，且在这种结构中SiCp分布相对较均匀。S.Kumar等[13]分析了在实验室条件下，如何通过激光迅速成形的技术手段来制备具有相对较高纯度与致密度的金属基复合材料(尤其制备得到的材料是与传统的通过粉末冶金方法合成的金属基复合材料相对比)。从实验的角度证实了，通过有选择地选择性使用激光选区熔化技术的方法制备得到的SiCp/Al复合材料，所得到的颗粒增强复合材料与传统粉末冶金法得到的材料相比，具有相对较为良好的性能，同时既增强了颗粒的分布均匀性也减少了缺陷的密度。B.Mondal等[14]通过研究以快速成型的方法为基础，制备得到的SiCp/A356复合材料的物理及化学性能发现，SiCp/Al复合材料的显微硬度比未使用颗粒增强的复合材料基体相比，显微硬度能够测得明显的增高很多。A.Simchi[15]研究了SiCp/A356复合材料在实验室条件下的制备过程中的致密化过程和其微观条件下的微观结构的变化，发现在实验室条件下经过使用激光选区熔化技术制备得到的SiCp/A356复合材料在使用高纯度且SiCp粒径为7 μm、颗粒的体积分数为5%时得到的成品试样的微观组织的致密化程度最为良好。激光选区熔化粉末制备技术在制备SiCp/Al基复合材料上具有非常大的应用潜力，实际生产中成本以及操作难度还有大量的压缩空间，还需要进一步研究和开发。

任何一种全新的技术的实施与发展都将会面临着种种巨大的机遇和挑战，激光选区熔化属于3D打印技术，虽然是具有先进的技术性、且就目前来看其应用范围也十分广泛，但目前还存在很多影响因素。

3 结 语

激光选区熔化相比于粉末冶金法和搅拌式铸造方法，可以显著提高SiCp的体积分数，所制备的SiCp/Al基复合材料较少出现气孔、夹杂、颗粒团聚、偏析等铸造缺陷。SiCp/Al复合材料的增强颗粒在基体中的分布较为均匀、得到的复合材料的显微硬度与其他方法相比较高，且得到的致密度在目前研究水平下具有较高的程度。同时激光选取熔化能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以自动、快速、直接将三维设计转化成实物模型，缩短研发周期。但是目前仍然还存在着原材料的获取成本高，制造的设备昂贵，技术尚不成熟等问题需要得到进一步解决。