選區(qū)激光熔化成形碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，成形機(jī)制及力學(xué)性能研究

作者：饒項(xiàng)煒 、 顧冬冬 、席麗霞 （南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ；江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實(shí)驗(yàn)室）

由于鋁合金具有低密度、較高的比強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。在眾多的鋁合金中，Al-Si 系鑄造鋁合金具有十分優(yōu)良的鑄造性能、焊接性能以及抗腐蝕性能。但是，Al-Si 系鑄造鋁合金的低硬度和較差的耐磨性能限制了其廣泛的應(yīng)用。目前，通過向鋁合金中添加增強(qiáng)材料合成鋁基復(fù)合材料(Aluminummatrix composites, AMCs)是一種有效提升鋁基材料力學(xué)性能的方法。其中，陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。常見的增強(qiáng)相陶瓷顆粒包括Al2O3、TiC、SiC以及 TiB2等。但是，由于陶瓷顆粒與鋁合金基體之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，在成形過程中容易萌生裂紋等缺陷，往往對最終的力學(xué)性能有不利的影響。

近年來，由于碳納米管(Carbon nanotubes, CNTs)具有超高強(qiáng)度(高達(dá) 100 GPa)和剛度(高達(dá) 1 TPa)等特殊性能，已成為一種新興并且擁有廣闊前景的增強(qiáng)材料。合成高性能的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(CNTs reinforced AMCs, CNT/Al)主要有兩大難點(diǎn)：
一是由于 CNTs 的長徑比很大，分子間范德華力很強(qiáng)，CNTs 之間很容易相互糾纏形成團(tuán)聚，將 CNTs 均勻分散在金屬基體中十分困難；

二是CNTs 在金屬基體中的擴(kuò)散十分有限，在 CNTs 與金屬基體之間形成穩(wěn)定的界面較為困難。因此，加工工藝對合成高性能的 CNT/Al 至關(guān)重要。

目前，成形 CNT/Al 最常用的方法主要有粉末冶金法和鑄造法。然而，這些成形方法由于加熱保溫時間過長，易形成粗大的晶粒組織，會弱化最終的強(qiáng)化效果，選用一種新型的成形工藝十分必要。選區(qū)激光熔化(Selective laser melting, SLM)是一種近年來快速發(fā)展的，基于材料逐層堆疊制造原理的激光增材制造技術(shù)。SLM 技術(shù)可以按照三維建模軟件的二維切片的輪廓信息，通過高能量的激光束選擇性地熔化粉末床中的粉末，經(jīng)過快速熔化-凝固的過程，成形出晶體組織細(xì)小，性能優(yōu)良的構(gòu)件。

基于 SLM 技術(shù)在制造方面的超高自由度，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)件的精密一體化成形，且無需多余的后續(xù)加工。因此，SLM 為代表的激光增材制造技術(shù)在航空航天高端制造、齒科骨科生物植入體、復(fù)雜型腔模具成形等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用。中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的王林志等采用 SLM 技術(shù)制備了 CNTs 增強(qiáng) AlSi10Mg 復(fù)合材料，研究了 SLM 成形 CNTs/AlSi10Mg 復(fù)合材料的組織演變規(guī)律和力學(xué)性能，研究結(jié)果表明當(dāng)激光能量密度為 131 J/m3 時，可以獲得細(xì)化的等軸晶組織，顯微硬度高達(dá) 143.7 HV0.1，與未添加 CNTs 的AlSi10Mg 構(gòu)件相比，強(qiáng)度得到提高。

華中科技大學(xué)的宋波等采用 SLM 技術(shù)制備了 CNTs/AlSi10Mg復(fù)合材料，進(jìn)行了混合粉末制備工藝、顯微組織演變規(guī)律及性能等方面的研究，研究結(jié)果表明復(fù)合材料的電阻率大幅下降，同時硬度得到提升。新加坡南洋理工大學(xué)的 DU 等采用攪拌摩擦加工和 SLM技術(shù)兩種工藝方法制備了CNTs增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，研究結(jié)果表明采用 SLM 技術(shù)成形的 CNT/Al 復(fù)合材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的力學(xué)性能。成形高致密度的CNT/Al 復(fù)合材料構(gòu)件對實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越的力學(xué)性能尤為關(guān)鍵。

在 SLM 成形 CNT/Al 復(fù)合材料構(gòu)件過程中，高能激光束輻照下的熔化凝固過程十分復(fù)雜，CNTs在基體中的分散以及 CNTs 與基體之間的潤濕行為對最終成形構(gòu)件的致密度影響很大。因此，研究不同激光工藝參數(shù)下成形試樣的致密化行為，探究CNT/Al 復(fù)合材料構(gòu)件在不同激光參數(shù)下的成形機(jī)制，總結(jié)工藝參數(shù)與成形性能的映射規(guī)律十分必要。

本文通過球磨工藝制備出顆粒表面均勻分布CNTs 的鋁基復(fù)合粉體，設(shè)置不同激光功率和掃描速度等激光參數(shù)成形出 CNT/Al 復(fù)合材料試樣，分析不同工藝參數(shù)下成形試樣的冶金缺陷的形成和抑制機(jī)制以及致密化行為，探究 SLM 成形試樣的物相組成及典型顯微組織形貌特征，測定成形試樣的硬度、耐磨性及拉伸性能，與未添加 CNTs 的鋁合金試樣進(jìn)行對比，為 SLM 成形高性能碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
本試驗(yàn)采用球形 AlSi10Mg 粉末和平均長度為10～30 μm、平均外徑為 10～20 nm 的多壁碳納米管為原始材料。通過機(jī)械球磨的方式將 CNTs 均勻分散在AlSi10Mg粉末顆粒表面以獲得CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1 % 的鋁基復(fù)合粉體。球磨后的復(fù)合粉體形貌以及粉末表面的 CNTs 分別如圖 1a 和圖 1b 所示。球磨后的混合粉體形貌基本保持了原始 AlSi10Mg的形貌，變形程度較小，流動性良好，適合于 SLM成形制造。

圖 1 試驗(yàn)所用材料

1.2 成形過程
本試驗(yàn)采用的是南京航空航天大學(xué)自主設(shè)計研發(fā)的選區(qū)激光熔化設(shè)備，設(shè)備包括 YLR-500-WC 光纖激光器、自動鋪粉裝置、保護(hù)氣氛填充裝置、循環(huán)凈化裝置以及用于控制成形過程的計算機(jī)系統(tǒng)。SLM 的試驗(yàn)原理如圖 2a 所示。

圖 2 SLM 示意圖及成形過程照片

試驗(yàn)開始先將成形基板預(yù)熱至 90 ℃并往成形腔體中充入 Ar 氣，保證成形腔體中的氧含量低于 1.0×105。利用自動鋪粉裝置將粉末均勻地鋪放在基板上，激光束在計算機(jī)系統(tǒng)的控制下，按照二維切片的輪廓信息，選擇性地在粉末上進(jìn)行掃描。完成掃描后，重復(fù)上述步驟，直至完整加工出 10 mm×10 mm×5 mm 的塊狀試樣，成形過程的照片如圖 2b 所示。在本試驗(yàn)中，鋪粉厚度 d 為 50 μm，掃描間距 h 為 50 μm，掃描速度 v為 2 000 mm/s、2 200 mm/s、2 400 mm/s，激光功率P 為 300 W、325 W、350 W、375 W。

1.3 試樣的表征與分析
將成形試樣從基板上切下，利用 Archimedes 排水法測定試樣的致密度，并通過 XJP-300 型光學(xué)金相顯微鏡(OM)分析成形試樣致密化行為。采用Bruker D8 Advance 型 X 射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，采用 CuKα衍射(λ=0.154 059 8 nm)，電壓為20 kV，電流為 20 mA。采用拉曼光譜儀(Ramanspectroscopy)測定成形試樣中的 CNTs 結(jié)構(gòu)完整性，分析原位界面反應(yīng)物的生成情況。采用凱勒試劑(HNO3: 2.5 mL, HCl: 1.5 mL; HF: 1 mL; H2O: 95 mL)對試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間為 25 s。采用 Zeiss Sigma04-95 型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)對試樣的表面形貌和顯微組織演變進(jìn)行表征分析。采用 HVS-50 型數(shù)字顯微硬度計測定成形試樣的顯微硬度值，載荷為 1.96 N，加載時間為 15 s。采用 HT-500 型高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行試樣的耐磨性能測試，載荷為 2.25 N，轉(zhuǎn)速為 560 r/min，測試時間為 15 min，試驗(yàn)所用對磨材料為 GCr15 鋼球(直徑為 3 mm，硬度為 HRC60)。

2 結(jié)果與討論
2.1 致密化行為及成形機(jī)制
如圖 3a 所示，不同激光參數(shù)下成形的 CNT/Al試樣經(jīng)線切割后從基板上切下，相應(yīng)的致密度變化曲線如圖 3b 所示。整體上，隨著激光掃描速度的增大，成形試樣的致密化程度下降。這是因?yàn)殡S著激光掃描速度的增大，高能激光束在粉末床中輻照處停留的時間縮短，即激光與粉體之間交互作用的時間變短，這會導(dǎo)致粉體吸收能量減少，形成更少的液相量，進(jìn)而降低成形試樣的致密化程度。

為了進(jìn)一步研究激光能量密度對 SLM 過程中缺陷的形成和抑制機(jī)制的影響，總結(jié) SLM 成形 CNT/Al 復(fù)合材料的致密化規(guī)律，選定掃描速度 v 為 2000 mm/s 時成形的四個試樣為研究對象，定義激光線能量密度η (η = P/v)，相應(yīng)的 η 分別為 150 J/m、162.5 J/m、175 J/m、187.5 J/m。不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣的橫截面經(jīng)腐蝕后的熔池顯微組織 OM 照片如圖 4 所示。

當(dāng) η 逐漸增加時，成形試樣的致密化程度也逐漸提高。當(dāng)η 較小時(150 J/m)，成形試樣橫截面處出現(xiàn)較多的孔隙等缺陷，試樣的致密度為 94.49%(圖 3b)。當(dāng) η增加到 162.5 J/m 時，成形試樣中的缺陷數(shù)量有所下降，熔池之間還存在少量的孔洞和微裂紋(圖 4b)，此時試樣的致密度為 97.27%(圖 3b)。當(dāng) η 進(jìn)一步上升到 175 J/m，此時較大的不規(guī)則孔洞基本消失，只有少量熔池內(nèi)部的氣孔(圖 4c)，成形試樣的致密度上升至 98.76%(圖 3b)。增大 η 至 187.5 J/m，試樣的橫截面幾乎觀察不到任何缺陷，熔池之間連續(xù)、搭接穩(wěn)定(圖 4d)，致密度為理論密度的 99.83%(圖 3b)，接近完全致密。

圖 3 SLM 成形試樣照片及致密度

SLM 成形時，高能量密度的激光束在粉末表面快速掃過，形成一個瞬態(tài)熔池。熔池的三維尺寸、熔池中液相的鋪展行為對成形試樣的最終致密化程度有很大的影響。由于鋁合金對激光的反射率很高，同時鋁合金的導(dǎo)熱率很高。因此，SLM 成形鋁合金構(gòu)件時對激光能量密度要求很高。當(dāng)輸入的激光能量密度增加時，熔池的寬度和深度增加，這會使

圖 4 不同能量密度下成形試樣橫截面 OM 圖

得掃描軌跡道與道之間的搭接程度提高，同時對已經(jīng)成形的上一層的重熔程度加大。因此，高能量密度有利于形成連續(xù)、穩(wěn)定的熔池，從而提升成形試樣的致密化程度。另一方面，SLM 過程中液相的動力學(xué)黏度以及固液相之間的潤濕行為對熔池液相的鋪展行為有很大的影響。熔池液相的動力學(xué)黏度 μ與熔池液相溫度 T 的關(guān)系可以表示為

(1)式中，m 代表原子質(zhì)量；kB 代表玻爾茲曼常數(shù)；T代表熔池內(nèi)液相溫度；γ 代表液相的表面張力。當(dāng) η較低時，輸入熔池的能量較低，熔池內(nèi)相應(yīng)的液相溫度也較低，導(dǎo)致液相的黏度 μ 增加，減弱了熔體的流動性，液相形成均勻的鋪展較為困難，來不及鋪展開的液相容易形成球狀，從而降低其表面能達(dá)到平衡態(tài)，即 SLM 過程中常見的“球化”現(xiàn)象(圖5a)。
“球化”現(xiàn)象會反過來影響下一層粉末的均勻鋪放，并且由于黏度較高時液相的流動性較差，快速冷卻的液相來不及填充這些缺陷，因而導(dǎo)致了熔池搭接處的不規(guī)則孔洞的形成。當(dāng) η 增加時，輸入熔池的能量密度上升，液相的溫度也相應(yīng)上升，使得液相的 μ 下降，此時液相的流動性良好，可以快速地均勻鋪展開。因此，隨著 η 的上升，缺陷的形成受到抑制，致密化程度上升。固液兩相之間的潤濕行為對液相的鋪展也有很大的影響。由于 CNTs與金屬液相之間的潤濕性較差，因此 CNTs 在液相中形成嚴(yán)重的團(tuán)聚會嚴(yán)重影響最終的致密化程度。

SLM 過程中由于激光光束的熱量是高斯分布的，熔池邊緣的溫度較低而熔池中部的溫度很高，熔池內(nèi)部存在較大的溫度梯度，溫度梯度使得液相內(nèi)部存在較大的表面張力梯度，從而導(dǎo)致液相中發(fā)生對流，即 Marangoni 流。Marangoni 流對熔池內(nèi)的增強(qiáng)相重新排布有重要的影響。液相的 Marangoni 流強(qiáng)度 Ma可以表示為

(2)式中，是表面張力梯度，L 是熔池的長度，μ 是液相的動力學(xué)黏度， 是液相的密度�？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng) η 增加時，熔池中心的溫度上升，溫度梯度變大導(dǎo)致表面張力梯度變大；熔池的尺寸增加，L 上升；同時，溫度上升導(dǎo)致 μ 下降。因此，η 上升會提高熔池液相的 Marangoni 流強(qiáng)度 Ma。液相內(nèi)增強(qiáng)的對流會促進(jìn)熔池內(nèi)增強(qiáng)相的重新排布，減少 CNTs 的團(tuán)聚，提升液相的潤濕性，液相可以快速均勻地鋪展，形成均勻連續(xù)的凝固組織(圖 5b)，從而提升成形試樣的致密化程度。成形試樣中的規(guī)則圓形氣孔的形成則與 SLM 過程中氣體的析出有關(guān)。

當(dāng) η 較低時，液相存在的時間較短，同時凝固的速度也較快，這時往往有較多的氣體來不及在液相凝固前逸出，從而導(dǎo)致了圓形氣孔的形成。當(dāng)增加 η 時，液相的存在時間增加，熔池的凝固速度變慢，氣體有足夠的時間在液相凝固前逸出，因此致密度增加。η 為187.5 J/m 時成形試樣的三維 OM 照片如圖 6 所示，熔池之間形成了穩(wěn)定的冶金結(jié)合，說明高能量密度是成形高致密 CNT/Al 復(fù)合材料的關(guān)鍵因素。

圖 5 不同能量密度下成形試樣表面形貌 SEM 圖

圖 6 η = 187.5 J/m 時成形試樣的三維 OM 照片

2.2 物相與顯微組織分析
SLM 是一個快速非平衡凝固的過程，熔池的冷卻速度極快，因此形成的顯微組織往往與傳統(tǒng)工藝方法不同。本文選取致密化程度最高的試樣為研究對象，分析 SLM 成形 CNT/Al 復(fù)合材料的典型物相及顯微組織特征。

圖 7a 為試樣的 XRD 衍射圖譜，衍射角范圍為 2θ = 20～90°。根據(jù) XRD 衍射圖譜的標(biāo)定，試樣的主要物相為 Al9Si 和 Si。由于本試驗(yàn)中 CNTs 的含量較少，僅為 1.0%，所以在 XRD 衍射試驗(yàn)中較難測出明顯的 CNTs 及其衍生相的特征峰。拉曼光譜是一種在碳材料領(lǐng)域十分有效的表征手段，可以表征球磨過程和 SLM 過程 CNTs 結(jié)構(gòu)的變化，以及表征基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生的原位反應(yīng)和界面原位衍生相的生成。

圖 7b 為成形試樣的拉曼光譜，外壁存在缺陷的 CNTs 更易與金屬基體發(fā)生反應(yīng)，位于 860 cm1 處的 Al4C3特征峰說明了在 SLM 過程中 MWCNTs 的外壁與 Al 基體發(fā)生了界面原位反應(yīng)，由于 MWCNTs 的外壁存在缺陷，CNTs 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，SLM 過程的高溫環(huán)境促進(jìn)了外壁的碳原子的擴(kuò)散行為，多壁碳納米管外壁與 Al 基體發(fā)生原位反應(yīng)生成了 Al4C3。根據(jù)文獻(xiàn)，MWCNTs 外壁生成適量的 Al4C3 的生成有助于提升 CNT/Al 復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性，提升載荷傳遞效率。

圖 7 SLM 成形 CNT/Al 試樣的物相

圖 8 為 SLM 成形 CNT/Al 試樣的典型顯微組織高倍 SEM 照片。根據(jù) XRD 和拉曼光譜的結(jié)果，SLM成形 CNT/Al 試樣的典型顯微組織為：胞狀 Al9Si初生相晶粒、胞狀晶粒內(nèi)部析出的 Si 顆粒及邊界處共晶析出的納米級 Si 顆粒、表面覆蓋原位生成的Al4C3 的 CNTs。基于 SLM 過程的快速非平衡凝固冶金學(xué)特點(diǎn)，原始 Al 基體中溶解了過飽和的 Si，經(jīng)過 SLM 過程形成了胞狀 Al9Si 固溶體，晶粒邊界為連續(xù)析出的纖維狀共晶 Si 顆粒。在 Al9Si 晶粒內(nèi)部有許多析出的納米級 Si 顆粒，這是由于在 SLM過程中，凝固后的 Al9Si 晶體受到相鄰熔池或者相鄰層的熱影響，Si的固溶度下降而析出形成的。

SLM過程中，由于熔池內(nèi)部溫度極高，同時表面含有缺陷的CNTs的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，CNTs的熔點(diǎn)極高，為 3 652～3 697 ℃，因此 CNTs 在 SLM 過程中不易發(fā)生熔化和氣化等現(xiàn)象。但是由于 CNTs 表面存在缺陷，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。在高溫環(huán)境中碳原子的擴(kuò)散加劇，易與基體發(fā)生原位反應(yīng)。SLM 過程中，多壁碳納米管的外壁與基體發(fā)生原位反應(yīng)生成了Al4C3，基體與增強(qiáng)相之間形成了穩(wěn)定的界面結(jié)合，形成了外壁被覆蓋 Al4C3的 CNTs，即圖 8 中所示的管狀結(jié)構(gòu)。

圖 8 SLM 成形 CNT/Al 試樣典型顯微組織高倍 SEM 圖

2.3 顯微硬度與耐磨性能
圖 9 為不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣和η=187.5 J/m 下成形用于對比的 AlSi10Mg 試樣的顯微硬度變化曲線�？梢园l(fā)現(xiàn)，未添加 CNTs 的AlSi10Mg 試樣的平均顯微硬度值為 135.2 HV0.2，低于所有 CNT/Al 試樣。在不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al試樣的顯微硬度隨著 η 的增加而上升，與試樣的致密度變化規(guī)律一致，說明致密化程度對試樣的性能有著重要的影響。

η 為 187.5 J/m 時，顯微硬度值為164.3 HV0.2。SLM 成形 CNT/Al 試樣顯微硬度提升主要有以下幾個原因：
一是 SLM 過程的冷卻速度極快，形成的晶粒十分細(xì)小，晶粒細(xì)化提升了材料的變形抗力；
二是試樣中析出許多納米級的 Si 顆粒，均勻分布在 Al 基體中，顯著提升了硬度；
三是添加的 CNTs 的外壁與基體發(fā)生界面原位反應(yīng)，生成了Al4C3原位界面化合物，穩(wěn)定的界面有助于載荷在基體和增強(qiáng)相之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，提升材料的硬度。

圖 9 不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣顯微硬度變化曲線

圖 10 為不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣和η=187.5 J/m 下成形用于對比的 AlSi10Mg 試樣的摩擦因數(shù)(Coefficient of friction, COF)變化曲線。試樣的耐磨性能變化規(guī)律同樣與致密化程度相關(guān)。根據(jù)圖 10，所有 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣的摩擦因數(shù)均低于未添加 CNTs 的 AlSi10Mg 試樣，說明添加CNTs 可以有效提升鋁合金基體的耐磨性能。隨著 η的增加，摩擦因數(shù)表現(xiàn)出下降的趨勢，說明隨著致密化程度的提升，試樣的耐磨性能上升。成形試樣耐磨性能的變化原因主要為：

一是試樣的硬度隨著η 的增加而上升，硬度值越大試樣的抵抗磨損的能力也越強(qiáng)；
二是隨著 η 的增加，SLM 過程中熔池液相的 Marangoni 流強(qiáng)度增強(qiáng)，有助于 CNTs 的均勻排布，CNTs 在摩擦過程中可以充當(dāng)固體潤滑劑，減少對磨材料與基體的直接接觸，有效提升耐磨性能；
三是 η 的增加有助于基體與 CNTs 發(fā)生界面反應(yīng)從而形成穩(wěn)定的界面，有效地傳遞應(yīng)力從而提升材料受載時抵抗塑性變形的能力，耐磨性能得到提升。

圖 10 不同 η 下 SLM 成形 CNT/Al 試樣摩擦因數(shù)變化曲線

2.4 拉伸性能
在最優(yōu)激光工藝參數(shù) η=187.5 J/m 下分別通過SLM 工藝成形 AlSi10Mg 拉伸試樣和 CNT/Al 拉伸試樣。SLM 成形的拉伸試樣如圖 11a 所示，成形試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 11b 所示。AlSi10Mg 試樣的強(qiáng)度和延伸率分別為 351 MPa 和 5.8%。添加 CNTs后，SLM 成形 CNT/Al 試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率均得到提升，強(qiáng)度和延伸率分別為 452 MPa 和 9.0%。

英國諾丁漢大學(xué)的 ABOULKHAIR 等[24]采用 SLM技術(shù)成形了 AlSi10Mg 構(gòu)件，研究了后處理對lSi10Mg 組織和力學(xué)性能的影響，后處理前AlSi10Mg構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為(333±15)MPa 和(1.4±0.3)%，后處理后的 AlSi10Mg 構(gòu)件的強(qiáng)度 和 延 伸 率分 別 為 (292±4)MPa 和 (3.9±0.5)% 。ROSENTHAL等系統(tǒng)研究了 SLM 成形 AlSi10Mg構(gòu)件的應(yīng)變速率敏感性和斷裂機(jī)制，研究結(jié)果表明應(yīng)變速率為 2.7×101/s 時強(qiáng)度最大，為(331±2) MPa。

通過對比可以說明，CNTs 的加入有效提升了 Al 合金材料的強(qiáng)度和韌性。CNT/Al 復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理主要有以下幾個方面：
第一是細(xì)晶強(qiáng)化，基于 SLM 極快的冷卻速率，熔池內(nèi)部形成的晶粒都十分細(xì)小，根據(jù)霍爾佩奇關(guān)系，細(xì)化的晶粒導(dǎo)致晶界增多，晶界在試樣發(fā)生變形時會阻礙位錯的運(yùn)動，從而提升試樣的強(qiáng)度和韌性；
第二是奧羅萬機(jī)制，即第二相強(qiáng)化，SLM成形 CNT/Al 試樣中的晶粒邊界處存在大量共晶 Si顆粒以及晶粒內(nèi)部存在沉淀析出的 Si 顆粒，與彌散分布在基體中的 CNTs 都會對位錯的滑移產(chǎn)生阻礙作用，使強(qiáng)度得到提升；第三是增強(qiáng)相與基體之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移機(jī)制，由于 CNTs 外壁與基體發(fā)生原位反應(yīng)生成了 Al4C3，基體與增強(qiáng)相之間形成了穩(wěn)定的界面，這有助于試樣在受到外載荷時，將應(yīng)力從基體傳遞給增強(qiáng)相，由于 CNTs 的強(qiáng)度和剛度極高，所以復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和韌性都得到了提升。

圖 11 SLM 成形拉伸試樣照片及應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié)論
(1) SLM 過程中 η 對成形試樣的致密度產(chǎn)生重要的影響，隨著 η 的上升，試樣的致密度增加。η增大導(dǎo)致熔池中有更大的能量輸入，熔池的溫度和尺寸都隨之增大，溫度上升使得液相動力學(xué)黏度下降和 Marangoni 流增強(qiáng)，有助于 CNTs 的均勻重排和液相的均勻鋪展，形成穩(wěn)定連續(xù)的熔池，使致密化程度上升。當(dāng) η 為 187.5 J/m 時，成形試樣的致密度為 99.83%，幾乎完全致密。

(2) SLM 成形 CNT/Al 的主要物相為 Al9Si、Si。CNTs 外壁部分與基體發(fā)生原位反應(yīng)生成 Al4C3，提高了界面穩(wěn)定性。由于 SLM 的快速非平衡凝固的特點(diǎn)，顯微組織十分細(xì)化，典型的顯微結(jié)構(gòu)為胞狀的Al9Si、胞狀晶內(nèi)部析出的 Si 顆粒和晶界處的共晶Si 顆粒、外壁覆蓋 Al4C3的 MWCNTs。

(3) 添加 CNTs 可以有效提升鋁合金的硬度和耐磨性能。隨著 η 的增大，試樣的硬度和耐磨性能增加。當(dāng) η=187.5 J/m 時，試樣的顯微硬度高達(dá) 164.3HV0.2，摩擦因數(shù)下降至 0.21，表現(xiàn)出高硬度和優(yōu)良的耐磨性能。

(4) 添加 CNTs 可以有效提升鋁合金材料的強(qiáng)度和韌性，當(dāng) η=187.5 J/m 時，試樣的強(qiáng)度和延伸率分別為 452 MPa 和 9.0 %。細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制、奧羅萬機(jī)制以及負(fù)載轉(zhuǎn)移機(jī)制是 CNT/Al 復(fù)合材料的主要強(qiáng)韌化機(jī)制。

參 考 文 獻(xiàn)（略）

來源：機(jī)械工程學(xué)報第55卷第15 期