高频微振动辅助激光增材制造TiC/AlSi10Mg合金

江苏激光联盟转载：采用高频微振动辅助激光增材制造TiC/AlSi10Mg合金，其显微组织得到细化，其性能和制造效率得到提高。

成果亮点

•采用高频微振动辅助激光增材制造TiC/AlSi10Mg 合金时的显微组织得到细化；

•在振动频率为969Hz的时候，合金的密度最大可以达到99.1%；

•采用微振动辅助激光增材制造后的显微硬度得到提高；

•采用微振动辅助激光增材制造后的合金的拉伸强度也得到提高

成果概要：采用微振动辅助激光增材制造技术成功的对TiC/AlSi10Mg合金进行了制备。在激光增材制造过程中引入的高频微振动可以加速熔体的流动，促进气体的漂浮和熔池的熔渣的形成和显著的降低合金中的气孔，由此获得细小且均匀的显微组织和合金的致密度高以及性能高及其较高的制造效率。不同的振动频率对显微组织和拉伸性能的影响也进行了研究。结果表明，在施加高频微振动之后，TiC/AlSi10Mg合金的组织得到显著细化，胞状晶的尺寸从
4 到 13 μm细化到
2–4 μm。熔体中的搭接区可以分为三个区域：细化区，粗化区和热影响区（HAZ）。合金的气孔数量在采用高频微振动之后得到显著的减少，合金的密度得到显著的提升。当振动频率为969Hz的时候，其显微结构比较紧凑且合金中的缺陷为最小，得到的合金密度为99.1%。此外，此时合金的平均硬度为183.3HV，其最大拉伸强度和延伸率为314.7MPa和8.81%，这一数值高于其他高频振动时的速率。

图 1成果的Graphical abstract

激光增材制造已经被用来直接制造致密和几乎近净成形的部件，采用丝材或者粉末进行熔化，凝固，层层成形而得到所需要的实体。该技术尤其吸引人的地方在于可以制造出复杂形状和大型的以及高性能和难加工材料的制造。它可以作为一种新颖的技术来制造复合材料以实现理想的结构，特征和优异的性能，这是因为该技术具有柔性设计，自由制造和几乎无需后续加工的优点。然而，当采用激光增材制造技术进行铝合金的制造的时候，由于铝合金的密度低，流动性差，容易氧化，反射率高和热导率高等特点而易于形成球化，气孔和夹杂物。Buchbinder等人研究了激光功率和扫描速度对SLM技术增材制造铝合金的密度的影响。Louvis等人则认为采用SLM技术制造铝合金的时候其缺陷的形成是薄的氧化物薄膜所造成的，意味着氧化物薄膜可以通过搅拌来实现破碎。因此，后来的激光增材制造铝合金的研究方向开始转向如何减少气孔上。

图2高频微振动辅助激光增材制造的示意图

许多人对SLM制造Al-Si铝合金的工艺，显微组织和性能进行了大量的研究，该合金容易获得相对较高的致密度。此外，也有研究报道在添加二次颗粒TiC的时候，铝合金的机械性能会得到提高。这一结果表明TiC/AlSi10Mg复合材料的部件可以通过SLM技术来进行制造并提高其显微硬度，提高的原因是晶粒细化强化和晶界强化。

图3高频微振动辅助激光增材制造进行单道实验的时候所得到的SEM横截面的图：(a) f = 0 Hz (b) f = 546 Hz (c) f = 969 Hz (d) f = 1387 Hz.

最近，高强度的超声振动在改善显微组织方面得到了较为广泛的应用。其相关研究在激光熔覆和激光焊接过程中可以加速固相和周围的液相在熔体中的流动，由此促进气体的漂浮和熔渣的流动。它同时还可以减少气孔的数量和熔渣形成夹杂物，由此导致显微组织的均匀性。从超声振动对激光表面熔化奥氏体不锈钢的研究可以获知，由于超声振动造成的表面对流延迟了激光材料之间相互作用的时间，这就意味着超声振动可以改善加过过程中的显微组织。Zhou等人研究了超声振动焊接金属的显微组织的影响，结果表明应用超声之后可以减少金属中的缺陷。Liu等人将他们的目光放在Ni60CuMoW复合材料的制造上，他将激光熔覆和机械振动组合在一起，表明粗大的枝晶已经被结合界面处的细小的晶粒所替代。这些研究结果表明超声所造成的搅拌效应加速了熔体金属的对流和元素的扩散，导致了元素分布的均匀性。然而，很少有研究是关于机械振动对激光增材制造的影响。

图4采用高频微振动技术辅助激光增材制造 TiC/AlSi10Mg 铝合金的横截面金相组织：(a) f = 0 Hz (b) f = 546 Hz (c) f = 969 Hz (d) f = 1387 Hz.

SLM增材制造技术具有冷却速率高，激光光斑直径小和成形精度高的特点，由此可以制造出显微组织和机械性能比较优异的部件来。然而，在制造铝合金的时候，采用SLM技术进行制造存在的一大挑战在于如何减少气孔，这是因为铝合金极易形成气孔。热等静压工艺是一个后续热处理工艺，可以实现封闭气孔和愈合增材制造过程中的裂纹，由此实现增加物体的密度和部件的疲劳寿命。这一处理所需要的高温会导致增材制造过程中的部件的应力释放的程度减少和提高部件的延伸率，由此造成其强度下降。在制造的过程中应用高频微振动技术可以加速气体的漂浮和熔体中熔渣的流动，从而可以显著的减少合金中的气孔。激光增材制造过程中辅以高频微振动技术可以获得高强度的铝合金部件和相对高的制造效率。

图 SEM micrographs of TiC/AlSi10Mg alloys fabricated by laser additive manufacturing at diffident vibration frequencies: (a) f = 0 Hz (b) f = 546 Hz (c) f = 969 Hz (d) f = 1387 Hz (e) the
high-magnification micrograph of area “A” indicated by the white box (f) the high-magnification micrograph of area “B” indicated by the white box

.图5在不同振动频率下进行激光增材制造TiC/AlSi10Mg合金的SEM组织：(a) f = 0 Hz (b) f = 546 Hz (c) f = 969 Hz (d) f = 1387 Hz (e)在白色线框内显示的A区域的放大图 (f)白色线框内显示的B所在区域的放大图

在这里，AlSi10Mg合金中混合TiC粒子，这是因为他们之间具有良好的润湿性和TiC在铝合金熔体中具有稳定的热动力学。TiC颗粒可以提高铝合金的性能和阻止在制造过程中的晶粒的生长。TiC/AlSi10Mg
合金已经在5025铝合金基材中上采用高频微振动辅助激光增材制造进行了制备。这一先例有利于我们理解高频微振动对提高TiC/AlSi10Mg显微组织和机械性能的作用。在包括制造高性能合金在汽车，航空等领域中的应用引人注意。

图6在高频微振动的条件下辅助激光增材制造得到的显微组织的变化：（a) 在凝固之前的熔体的液相；(b) 在高频微振动条件下的共晶Si的断裂；(c) 在高频微振动的条件下精细的共晶硅 (d) 合金中的细小的晶粒和结构紧凑的显微组织；

主要结论

高频微振动辅助激光增材制造TiC增强的AlSi10Mg合金进行了制备。高频微振动对TiC/AlSi10Mg合金的显微组织和机械性能的影响进行研究，如下为主要结论：

(1) 高频微振动可以有效的减少TiC/AlSi10Mg合金中的气孔，得到的密度可以达到99.1%，此时的振动频率为969Hz。

(2)在采用高频微振动之后，TiC/AlSi10Mg合金的显微组织得到细化。当振动频率为969Hz的时候，可以得到结构紧凑的显微组织，从而可以增加合金的显微硬度，最大可以达到183.3HV。

(3)在高频微振动辅助激光增材制造TiC/AlSi10Mg的时候，其拉伸强度可以达到显著的提高。频率的增加会降低气孔的数量。此外，Si颗粒和Al基材之间的结合性比较好，没有发现Si颗粒从Al基材之间进行分离。在振动频率为969Hz的时候，其最大拉伸强度和断口延伸率为314.7MPa和8.81%。

文章来源：ChongguiLi，ShuaiSun，ChuanmingLiu，Qinghua，PanMa，YouWang，Microstructure and mechanical properties of TiC/AlSi10Mg alloy fabricated by laser additive manufacturing under high-frequency
micro-vibration，Journal of Alloys and Compounds，Volume 794, 25 July 2019, Pages 236-246，https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.287，