蘇振華， 劉 剛， 代 兵， 曹康麗， 朱嘉琦

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)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(lái)，增材制造以其低周期、低成本的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。其中，選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)是被最廣泛應(yīng)用的增材制造工藝之一。通常應(yīng)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(shí)，金屬基復(fù)合材料的SLM工藝也引起了研究人員的廣泛關(guān)注。DADBAKHSH等[5]將Fe3O4粉末與鋁合金粉末混合，研究了金屬基復(fù)合材料在SLM成型過(guò)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(fù)合材料。然而，由于其較為特殊的成型工藝特點(diǎn)，目前制備高摻雜量的復(fù)合材料的致密度仍然有待提高。

SLM成型過(guò)程如下[7]：(a)在基板上鋪一層金屬粉末，利用激光按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑掃描一次，被掃過(guò)的區(qū)域?qū)?huì)吸收激光能量而熔化；(b)當(dāng)該層路徑被掃描一次后則鋪設(shè)下一層粉末，重復(fù)掃描與鋪粉的步驟，直至獲得所需要的高度為止。成型過(guò)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(guò)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(fù)合材料，在SLM成型之后，通常可以采用等靜壓等后處理工藝。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?gòu)?fù)合材料結(jié)合了金剛石與金屬各自的優(yōu)點(diǎn)，因其優(yōu)異的物理性能被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景，如金剛石刀具[9]、熱沉[10]等。金剛石/鋁復(fù)合材料便是其中廣受關(guān)注的一類材料，通常被用于電氣設(shè)備的散熱，其較高的熱導(dǎo)率和較低的密度是普通金屬材料所無(wú)法企及的。目前，通過(guò)傳統(tǒng)工藝可以獲得高熱導(dǎo)率、高致密度的金剛石/鋁復(fù)合材料。傳統(tǒng)制備金剛石/鋁復(fù)合材料的工藝有：粉末冶金[11]、高壓熔滲法[12]等。然而，復(fù)合材料中金剛石的高摻雜量使其難以進(jìn)行機(jī)械加工。因此，大尺寸和形狀復(fù)雜的零件的制備是限制其應(yīng)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(fù)合材料異構(gòu)件是難以實(shí)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(shí)。

近年來(lái)，備受關(guān)注的增材制造是思路之一：利用增材制造的特點(diǎn)，無(wú)需模具便可制造大尺寸的異構(gòu)件，十分契合目前制備金剛石/鋁復(fù)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(wú)外部加壓條件下也能通過(guò)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(fù)合材料仍存在許多不足之處，其主要問(wèn)題是高孔隙率以及金剛石熱損傷問(wèn)題。

為了改善金剛石與金屬基的界面結(jié)合力，同時(shí)在成型過(guò)程中保護(hù)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(guò)渡層[10]。金剛石表面鍍覆層通常為碳化物過(guò)渡層(TiC，WC等)、金屬過(guò)渡層(Ni，Cu，W等)以及碳化物與金屬?gòu)?fù)合鍍層。金剛石/鋁復(fù)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(wèn)題。界面結(jié)合較弱會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料在冷卻過(guò)程中會(huì)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(fù)合材料整體的力學(xué)性能與熱導(dǎo)率。由此，在金剛石和基體之間通常會(huì)引入過(guò)渡層，以改善界面結(jié)合力。引入過(guò)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(yàn)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(guò)鹽浴鍍工藝在其表面鍍覆TiC過(guò)渡層；與AlSi10Mg粉末混合后，在不同的SLM工藝下成型。探究復(fù)合材料致密度與成型功率和掃描速度的關(guān)系，并對(duì)缺陷產(chǎn)生的過(guò)程與原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

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

1.1 試驗(yàn)原料

粒徑的選擇對(duì)成型的結(jié)果存在一定影響：粒徑較小時(shí)，由于比表面積相對(duì)較大，最終會(huì)導(dǎo)致界面處存在過(guò)多復(fù)合材料，不利于材料致密化[16-17]；而粒徑過(guò)大則不利于成型過(guò)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(fù)合材料界面的結(jié)合。在此次試驗(yàn)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(yīng)，在金剛石表面產(chǎn)生TiC。國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者公開報(bào)道了試驗(yàn)原理和具體工藝[19-20]。本試驗(yàn)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(fù)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(guò)程中希望金剛石顆?？梢员３衷行蚊捕皇艿綋p傷。當(dāng)成型過(guò)程中激光能量較高時(shí)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(guò)程的參數(shù)極為重要。對(duì)于金剛石/鋁復(fù)合材料而言，溫度場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)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(guò)各個(gè)參數(shù)之間的相互配合可以設(shè)計(jì)出合理的熔池溫度場(chǎng)分布以及升溫降溫速度。本次試驗(yàn)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(guān)系。在此次試驗(yàn)中制備了10 mm×10 mm×6 mm的塊體。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 缺陷分析

成型后的復(fù)合材料如圖2所示，其表面均呈黑色、平整度較差。在成型過(guò)程中熔體流動(dòng)嚴(yán)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(guò)程中熔池受到金剛石的影響無(wú)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(lái)的成型過(guò)程中不斷長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致表面粗糙不平。球化過(guò)程如圖3所示。

圖2 金剛石/鋁復(fù)合材料

圖3 SLM過(guò)程中的球化示意圖

利用排水法測(cè)得復(fù)合材料實(shí)際密度，與理論密度對(duì)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(guò)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(fù)合材料的致密度。分析圖4曲線可知：當(dāng)激光功率較小而掃描速度較快時(shí)，復(fù)合材料致密度低；隨著激光功率提高與掃描速度減慢，復(fù)合材料致密度逐漸提高；當(dāng)激光功率進(jìn)一步提高時(shí)，致密度變化趨于減緩；當(dāng)掃描速度為150 mm/s，激光功率為250 W時(shí)，致密度大幅度下降。

圖4 復(fù)合材料的致密度

在激光成型過(guò)程中，單位區(qū)域的能量輸入對(duì)致密度有較大影響[21]。在本試驗(yàn)中可以認(rèn)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(biāo)，以致密度φ為縱坐標(biāo)，可以得到單位輸入能量與致密度的散點(diǎn)圖(圖5)。

圖5 致密度與單位能量的關(guān)系

當(dāng)單位輸入能量小于0.8 J/mm時(shí)，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(shí)，致密度變化趨于平緩；而當(dāng)單位輸入能量高于1.5 J/mm時(shí)，致密度開始下降。其原因可歸結(jié)如下[22]：當(dāng)單位輸入能量較低時(shí)，熔體溫度較低，熔體黏滯力大，流動(dòng)性較小，無(wú)法實(shí)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(dòng)性提高，熔化區(qū)尺寸增加，促進(jìn)了致密化的過(guò)程；而當(dāng)單位輸入能量過(guò)高時(shí)(在本試驗(yàn)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(dòng)的熔體運(yùn)動(dòng)加劇，這反而不利于復(fù)合材料的致密化。

在復(fù)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(yàn)選用的TiC鍍層并沒(méi)有起到保護(hù)金剛石避免熱損傷的作用。本試驗(yàn)采用的是1 064 nm激光，該波長(zhǎng)為目前SLM設(shè)備普遍選用。鋁對(duì)1 064 nm激光的吸收率較低[23]，而TiC對(duì)1 064 nm激光吸收率較高[24]。當(dāng)激光照射到金剛石時(shí)，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(shí)形成了復(fù)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(fù)合材料選區(qū)激光熔化制備過(guò)程中飛濺出的粉末。成型過(guò)程中，熔池可以達(dá)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(yīng)使得熔液受較大的張力作用而飛濺出熔池。同時(shí)，金剛石顆粒也會(huì)依附于飛濺出的粉末顆粒表面，最終形成如圖7所示的殘?jiān)蚊病膱D7中可以觀察到金剛石表面鍍層形貌保持良好，說(shuō)明短時(shí)間存在的熔池并不會(huì)對(duì)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(guò)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(fù)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(méi)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(guò)程中，金剛石表面與基體潤(rùn)濕角明顯大于90°(圖9箭頭處)，表明潤(rùn)濕性較差。

圖8 金剛石/鋁復(fù)合材料斷口形貌

圖9 金剛石與基體界面形貌

2.2 成型過(guò)程分析

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

(1)當(dāng)含鋁材料直接受到激光照射時(shí)，其迅速升溫達(dá)到熔點(diǎn)并熔化，形成熔池。而當(dāng)金剛石顆粒直接受到激光照射時(shí)，金剛石受照射區(qū)域石墨化，形成石墨團(tuán)簇并分散在熔池內(nèi)，產(chǎn)生金剛石熱損傷，同時(shí)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(rùn)濕性較差，柵欄之間的孔隙無(wú)法被填充，因而形成了大量的孔洞。

圖10為復(fù)合材料內(nèi)部孔洞形成的過(guò)程。在激光下一層掃描的過(guò)程中，金剛石柵欄同樣阻止了熔池對(duì)孔洞的填充，最終導(dǎo)致了金剛石/鋁復(fù)合材料致密度低。金剛石/鋁復(fù)合材料同時(shí)存在孔隙率高以及金剛石熱損傷的問(wèn)題。為提高材料性能應(yīng)從以下2方面著手：首先，選擇合適的過(guò)渡層材料以改善激光損傷和潤(rùn)濕性問(wèn)題；其次，考慮到材料激光成型過(guò)程，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的溫度場(chǎng)，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(fù)合材料孔洞形成過(guò)程

3 試驗(yàn)結(jié)論

此次試驗(yàn)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(fù)合材料，根據(jù)成型后復(fù)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?jiān)蚊?，分析和總結(jié)了復(fù)合材料在選區(qū)激光熔化工藝中的形成過(guò)程與缺陷成因，得出如下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)成功制備了金剛石/鋁復(fù)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(fù)合材料致密度先增大后減小。

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

(3)金剛石顆粒熱損傷的主要原因是：在此次試驗(yàn)中使用的激光為1 064 nm波長(zhǎng)激光，TiC鍍層對(duì)1 064 nm波長(zhǎng)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(tuán)簇，造成了金剛石的燒蝕。