成果亮點

•採用高頻微振動輔助鐳射增材製造TiC/AlSi10Mg 合金時的顯微組織得到細化；

•在振動頻率為969Hz的時候，合金的密度最大可以達到99.1%；

•採用微振動輔助鐳射增材製造後的顯微硬度得到提高；

•採用微振動輔助鐳射增材製造後的合金的拉伸強度也得到提高

成果概要：採用微振動輔助鐳射增材製造技術成功的對TiC/AlSi10Mg合金進行了製備。在鐳射增材製造過程中引入的高頻微振動可以加速熔體的流動，促進氣體的漂浮和熔池的熔渣的形成和顯著的降低合金中的氣孔，由此獲得細小且均勻的顯微組織和合金的緻密度高以及效能高及其較高的製造效率。不同的振動頻率對顯微組織和拉伸效能的影響也進行了研究。結果表明，在施加高頻微振動之後，TiC/AlSi10Mg合金的組織得到顯著細化，胞狀晶的尺寸從 4 到 13 μm細化到 2–4 μm。熔體中的搭接區可以分為三個區域：細化區，粗化區和熱影響區（HAZ）。合金的氣孔數量在採用高頻微振動之後得到顯著的減少，合金的密度得到顯著的提升。當振動頻率為969Hz的時候，其顯微結構比較緊湊且合金中的缺陷為最小，得到的合金密度為99.1%。此外，此時合金的平均硬度為183.3HV，其最大拉伸強度和延伸率為314.7MPa和8.81%，這一數值高於其他高頻振動時的速率。

圖 1 成果的Graphical abstract

鐳射增材製造已經被用來直接製造緻密和幾乎近淨成形的部件，採用絲材或者粉末進行熔化，凝固，層層成形而得到所需要的實體。該技術尤其吸引人的地方在於可以製造出複雜形狀和大型的以及高效能和難加工材料的製造。它可以作為一種新穎的技術來製造複合材料以實現理想的結構，特徵和優異的效能，這是因為該技術具有柔性設計，自由製造和幾乎無需後續加工的優點。然而，當採用鐳射增材製造技術進行鋁合金的製造的時候，由於鋁合金的密度低，流動性差，容易氧化，反射率高和熱導率高等特點而易於形成球化，氣孔和夾雜物。Buchbinder等人研究了鐳射功率和掃描速度對SLM技術增材製造鋁合金的密度的影響。Louvis等人則認為採用SLM技術製造鋁合金的時候其缺陷的形成是薄的氧化物薄膜所造成的，意味著氧化物薄膜可以透過攪拌來實現破碎。因此，後來的鐳射增材製造鋁合金的研究方向開始轉向如何減少氣孔上。

圖2 高頻微振動輔助鐳射增材製造的示意圖

許多人對SLM製造Al-Si鋁合金的工藝，顯微組織和效能進行了大量的研究，該合金容易獲得相對較高的緻密度。此外，也有研究報道在新增二次顆粒TiC的時候，鋁合金的機械效能會得到提高。這一結果表明TiC/AlSi10Mg複合材料的部件可以透過SLM技術來進行製造並提高其顯微硬度，提高的原因是晶粒細化強化和晶界強化。

圖3 高頻微振動輔助鐳射增材製造進行單道實驗的時候所得到的SEM橫截面的圖：(a) f = 0 Hz; (b) f = 546 Hz; (c) f = 969 Hz; (d) f = 1387 Hz.

最近，高強度的超聲振動在改善顯微組織方面得到了較為廣泛的應用。其相關研究在鐳射熔覆和鐳射焊接過程中可以加速固相和周圍的液相在熔體中的流動，由此促進氣體的漂浮和熔渣的流動。它同時還可以減少氣孔的數量和熔渣形成夾雜物，由此導致顯微組織的均勻性。從超聲振動對激光表面熔化奧氏體不鏽鋼的研究可以獲知，由於超聲振動造成的表面對流延遲了鐳射材料之間相互作用的時間，這就意味著超聲振動可以改善加過過程中的顯微組織。Zhou等人研究了超聲振動焊接金屬的顯微組織的影響，結果表明應用超聲之後可以減少金屬中的缺陷。Liu等人將他們的目光放在Ni60CuMoW複合材料的製造上，他將鐳射熔覆和機械振動組合在一起，表明粗大的枝晶已經被結合介面處的細小的晶粒所替代。這些研究結果表明超聲所造成的攪拌效應加速了熔體金屬的對流和元素的擴散，導致了元素分佈的均勻性。然而，很少有研究是關於機械振動對鐳射增材製造的影響。

圖4 採用高頻微振動技術輔助鐳射增材製造 TiC/AlSi10Mg 鋁合金的橫截面金相組織：(a) f = 0 Hz; (b) f = 546 Hz; (c) f = 969 Hz; (d) f = 1387 Hz.

SLM增材製造技術具有冷卻速率高，鐳射光斑直徑小和成形精度高的特點，由此可以製造出顯微組織和機械效能比較優異的部件來。然而，在製造鋁合金的時候，採用SLM技術進行製造存在的一大挑戰在於如何減少氣孔，這是因為鋁合金極易形成氣孔。熱等靜壓工藝是一個後續熱處理工藝，可以實現封閉氣孔和癒合增材製造過程中的裂紋，由此實現增加物體的密度和部件的疲勞壽命。這一處理所需要的高溫會導致增材製造過程中的部件的應力釋放的程度減少和提高部件的延伸率，由此造成其強度下降。在製造的過程中應用高頻微振動技術可以加速氣體的漂浮和熔體中熔渣的流動，從而可以顯著的減少合金中的氣孔。鐳射增材製造過程中輔以高頻微振動技術可以獲得高強度的鋁合金部件和相對高的製造效率。

.圖5 在不同振動頻率下進行鐳射增材製造TiC/AlSi10Mg合金的SEM組織：(a) f = 0 Hz; (b) f = 546 Hz; (c) f = 969 Hz; (d) f = 1387 Hz; (e)在白色線框內顯示的A區域的放大圖 ; (f)白色線框內顯示的B所在區域的放大圖

在這裡，AlSi10Mg合金中混合TiC粒子，這是因為他們之間具有良好的潤溼性和TiC在鋁合金熔體中具有穩定的熱動力學。TiC顆粒可以提高鋁合金的效能和阻止在製造過程中的晶粒的生長。TiC/AlSi10Mg 合金已經在5025鋁合金基材中上採用高頻微振動輔助鐳射增材製造進行了製備。這一先例有利於我們理解高頻微振動對提高TiC/AlSi10Mg顯微組織和機械效能的作用。在包括製造高效能合金在汽車，航空等領域中的應用引人注意。

圖6 在高頻微振動的條件下輔助鐳射增材製造得到的顯微組織的變化：（a) 在凝固之前的熔體的液相； (b) 在高頻微振動條件下的共晶Si的斷裂； (c) 在高頻微振動的條件下精細的共晶矽; (d) 合金中的細小的晶粒和結構緊湊的顯微組織；

主要結論

高頻微振動輔助鐳射增材製造TiC增強的AlSi10Mg合金進行了製備。高頻微振動對TiC/AlSi10Mg合金的顯微組織和機械效能的影響進行研究，如下為主要結論：

(1) 高頻微振動可以有效的減少TiC/AlSi10Mg合金中的氣孔，得到的密度可以達到99.1%，此時的振動頻率為969Hz。

(2)在採用高頻微振動之後，TiC/AlSi10Mg合金的顯微組織得到細化。當振動頻率為969Hz的時候，可以得到結構緊湊的顯微組織，從而可以增加合金的顯微硬度，最大可以達到183.3HV。

(3)在高頻微振動輔助鐳射增材製造TiC/AlSi10Mg的時候，其拉伸強度可以達到顯著的提高。頻率的增加會降低氣孔的數量。此外，Si顆粒和Al基材之間的結合性比較好，沒有發現Si顆粒從Al基材之間進行分離。在振動頻率為969Hz的時候，其最大拉伸強度和斷口延伸率為314.7MPa和8.81%。

文章來源：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，