鋁合金具有低密度、比強度高、耐高溫、耐磨損等優點，在國防軍工、航天航空等領域具有廣泛的應用價值。其中ZL114A鋁合金力學性能及熔鑄工藝都很優異，因此在航空、航天及交通運輸等產業需求量很大。

     激光選區熔化（selective laser melting，SLM)是一種重要的金屬增材制造方法，與傳統的鑄造方法相比，SLM成形效率高，無需模具，可制造形狀復雜、尺寸精度較高的零部件。但目前SLM成形的ZL114A合金力學性能仍然偏低，從而限制了其在航空等領域的拓展應用。這主要是由于鋁及鋁合金具有易氧化、激光反射率高、熱導率大等特性。目前研究多集中于添加其它合金元素或者陶瓷顆粒來改善SLM成形件的性能，如MARTIN等通過靜電自組裝法向TC4合金和7系鋁合金粉末中分別添加ZrH2、WC顆粒，可促使晶粒由柱狀晶轉變為等軸晶，使組織和性能得到有效改善。GU D等通過調控工藝參數和加入TiC顆粒，使得TiC/AlSi10Mg合金顯微硬度（HV0.1）達到188.3，抗拉強度達486 MPa。TiB2顆粒熔點高，并具有化學穩定性好，耐磨性好、硬度大、潤濕性好、熱導率低、激光吸收率高等優點，不但可作為鋁合金的彌散增強相，而且可作為異質形核劑，細化鋁基體晶粒。

南昌航空大學盧百平教授團隊對用于粉末床激光選區熔化增材制造的TiB2/ZL114A復合材料進行了研究，并在《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了“SLM成形TiB2p/ZL114A復合材料組織與性能”的文章。本期谷.專欄將分享該文的主要內容。

文章在ZL114A鋁合金粉末中加入TiB2顆粒，通過球磨法制備了TiB2質量分數為1%和2%的TiB2/ZL114A復合粉末，并用激光選區熔化(SLM)技術成形TiB2/ZL114A復合材料。結果表明，1%的TiB2顆粒可提升SLM成形ZL114A合金試樣的致密度，孔洞明顯減少，致密度由98.2%提升至99.1%；抗拉強度和顯微硬度（HV）分別由315 MPa、109.2提升至366 MPa、118.6，伸長率由6.3%提升至10.5%。SLM成形1TiB2/ZL114A復合材料試樣經320℃×2h退火后，抗拉強度和顯微硬度降至295MPa和84.3，而伸長率達到19.8%；經525℃×3h+180℃×6h固溶時效處理后，抗拉強度略微下降至331MPa，但伸長率達到14.2%。2%TiB2/ZL114A復合材料試樣組織內部TiB2顆粒發生團聚長大現象，導致內部存在大量的孔洞缺陷，致密度和力學性能都明顯下降。

 試驗材料與方法

      通過球磨分別制備了TiB2質量分數為1%、2%的TiB2/ZL114A復合材料。ZL114A鋁合金粉末、TiB2陶瓷顆粒及復合材料的形貌見圖1。可以看出，ZL114A鋁合金粉末粒徑為15~35μm,TiB2顆粒平均粒徑為300nm,TiB2顆粒均勻分布在ZL114A粉末表面，混合較好。ZL114A鋁合金粉末的化學成分見表1。

      SLM成形采用SLM300型設備，激光功率為300w，掃描速度分別為750、1250、750、2250和2750mm/s，掃描間距為0.09mm,鋪粉厚度為0.05mm。SLM成形TiB2/ZL114A復合材料試樣，經砂紙研磨、拋光后，對測試表面用凱勒試劑腐蝕15s，用Nova Nano SEM450型場發射掃描電子顯微鏡觀察微觀組織。拉伸試樣見圖2，用Instron 5569型電子拉伸實驗機進行拉伸，拉伸時拉伸方向平行于堆積成形方向，拉伸速率為1mm/min。用Quanta 200型環境掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。熱處理工藝見表2。

圖1 3種粉末掃描電鏡形貌(a) ZL114A鋁合金粉末(b) TiB2陶瓷顆粒(c) 1TiB2/ZL114A鋁合金復合材料。

圖2 拉伸試樣

 圖文結果

     在SLM成形ZL114A合金過程中添加1%的TiB2顆粒可以有效提升試樣的成形質量，氣孔和球化明顯減少，通過細晶強化、彌散強化和載荷傳遞作用，使ZL114A合金的硬度、強度與塑性都得到提高，抗拉強度由315 MPa提高到366MPa，伸長率從6.3%提高至10.5%,平均顯微硬度（HV）由109.2提高至118.6；TiB2顆粒添加量為2%時，成形試樣熔池內液相粘度較低，流動性較差，Marangoni流效應削弱，TiB2顆粒發生團聚長大，內部孔洞數量增多，導致其力學性能明顯下降。

     SLM成形1TiB2/ZL114A復合材料原始態試樣經退火和固溶＋時效處理后，強度和硬度有所下降，塑形均有提高，其中退火態伸長率高達19.8%，固溶＋時效處理態抗拉強度由366 MPa下降至331 MPa。SLM成形1TiB2/ZL114A復合材料原始態斷口表面存在許多分布不均勻且較淺的大小韌窩，存在一定的塑性變形；退火態相比于原始態斷口韌窩數量明顯變多且韌窩尺寸更大更深，所以其塑形更強，伸長率更高；固溶＋時效處理態相比于原始態，試樣斷口表面存在大量的大小相同的韌窩，具有高延性斷裂,所以塑形也有所提高。綜上，3種狀態下拉伸試樣斷裂機制均為韌性斷裂。

圖3 不同TiB2含量下試樣致密度和線能量密度的關系。

圖4 SLM成形3種試樣縱截面的OM，（a）w(TiB2)=0 （b）w(TiB2)=1%（c）w(TiB2)=2%。

圖5 復合粉末及SLM成形試樣的XRD圖譜（a）復合材料和SLM成形3種試樣的XRD圖譜（b）SLM成形試樣第一Al峰放大（c）SLM成形試樣第3Al峰放大。

圖6 SLM成形試樣的SEM形貌(a) ZL114A鋁合金(b) 2%TiB2/ZL114A復合材料，低倍(c) 2%TiB2/ZL114A復合材料，高倍(d) 1TiB2/ZL114A復合材料，高倍(e)團聚的TiB2顆粒(f)團聚長大的TiB2顆粒(g)1TiB2/ZL114A復合材料。

圖7 圖6e和圖6f中團聚長大顆粒的EDS圖(a)圖6e中團聚的TiB2顆粒 (b)圖6 f中團聚長大TiB2顆粒。

圖8 SLM成形試樣的斷口宏觀形貌及SEM斷口形貌(a) ZL114A鋁合金 (b)H0,宏觀 (c) H0;微觀 (d) H1 (e) H2。

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