本发明属于增材制造技术领域，涉及一种基于选区激光熔化技术的碳化硅颗粒增强铝基复合材料成形工艺。
背景技术：
增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的制造方法不同，增材制造技术是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
选区激光熔化技术(slm-selectivelasermelting)作为整个增材制造技术领域中最具前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。选区激光熔化技术的工作过程为首先建立要建模型/零件的三维cad模型，通过特殊的软件例如magics将三维模型切片、离散为二维数据，并进行扫描路径的规划，从而获得可控制激光束扫描的切片轮廓信息，然后计算机逐层调入切片轮廓信，通过扫描振镜、控制激光束有选择地熔化工作台上的金属粉末，逐层堆积成与模型相同的实体，成形过程中，金属粉末完全熔化，产生良好的冶金结合。该技术基于快速成形的最基本思想，最大程度的减少了材料的浪费，成形过程几乎不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品的制造，在航空航天、军工、汽车、工业机械、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比模量、耐磨、耐疲劳、密度小、良好的尺寸稳定性等优异的力学性能和物理性能，自20世纪80年代初期，世界各国相继开始研究，作为航空航天、汽车、工业机械等领域的重要轻量化材料之一，其技术的发展一直备受业界关注。传统的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法、高能球磨法等，每种方法都有其局限性，不可普遍适用。这类传统的加工方法，成形温度一般较低，并且碳化硅与铝基体材料之间的润湿性较差，不利于零件的成形加工；对于形状复杂的零件其加工精度难以保证，甚至不能成形；工艺较为复杂，增强颗粒不能均匀分布，组织均匀性较差，晶粒易粗化，缺陷率较高。
利用选区激光熔化技术制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料对原始粉末的性能有着极高的要求，获得高品质、低成本的球形粉体材料是满足选区激光熔化技术及制备高性能金属构件的关键环节。对于原始粉末，在颗粒粒径适合选区激光熔化技术的范围内时，最能影响最终成形质量的因素为粉末的流动性和松装密度，粉体的球形度影响粉体流动性，而流动性与球形度又共同影响粉体的松装密度，因此获得合适的粉末对成形效果有着重要的影响。同时，在铺粉过程中粉末层的均匀性是也非常重要的，由于本身铝合金粉末较轻，流动性较差，粉末细小易积聚，刮刀底部与粉末摩擦又加剧了粉末的积聚现象，给铺粉过程带来了很大的难度。在利用选区激光熔化技术制备复合材料的过程中，高能球磨法作为其中的一种制粉技术对铝基体粉末的球状破坏程度较大，对制造过程中铺粉均匀性控制和层厚控制的难度进一步加大。因此，解决以上问题对于制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有重要的意义。
技术实现要素：
针对以上现有技术的缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种基于选区激光熔化技术制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法，首先通过混粉机对铝合金基体粉末和碳化硅颗粒增强相粉末进行机械混合，使得碳化硅颗粒能够较为均匀的分散在铝基体中。获得混合粉末后，基于选区激光熔化技术，通过铺粉层厚的控制和工艺调控制备出高致密度的的碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
为实现上述发明，具体步骤如下：1选用纯度99.9％以上，平均粒度分布为30μm的球形alsi10mg粉末；纯度99.9％以上，平均粒度分布为10μm的sic粉末。
2将上述粉末通过混粉机进行机械混合，其中sic粉末重量占混合后粉末总重量的8-12％，混粉时间4-6h，以便使sic颗粒与alsi10mg粉末在不破坏粉体球形度的情况下进行均匀混合，混粉结束后进行干燥处理。
3将上述获得的粉末用于选区激光熔化成形。在选区激光熔化成形前期的准备阶段，对基板进行喷砂处理，将粉末放置在供粉仓进行插实处理，同时采用不锈钢刮刀，控制铺粉层厚，提高铺粉的均匀性。在选区激光熔化成形过程中，采用氩气保护，其主要加工参数为：激光功率290w，光斑直径100μm，扫描速度800mm/s-1100mm/s，扫描间距0.12-0.13mm，铺粉层厚30μm。
4成形过程中，首先对基板进行一次单次曝光。接下来铺粉装置将粉末均匀铺在成形基板上，激光束根据计算机设计好的扫描路径对切片区域进行逐行扫描，待完成一层成形后，成形基板下降一个层厚的距离，均匀铺设下一层粉末，激光束根据零件的第二层信息扫描粉末，重复以上步骤，直至整个零件加工完毕。
本发明技术方案中基于选区激光熔化技术，考虑到该技术的特点及成形影响因素，对现有技术进行了简化和改进处理，为制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料提供了一种解决方法。具体体现在以下几个方面：
(1)采用混粉机进行机械混合，增强相颗粒有效分散在基体中，没有破坏基体粉末的球形度。成形准备前期对基板进行了喷砂处理和单次曝光，slm过程中采用不锈钢刮刀进行铺粉操作，有效控制粉末层厚，提高了铺粉均匀性，为获得性能优异的碳化硅颗粒增强铝基复合材料提供了必要条件。
(2)本发明采用选区激光熔化技术，激光能量密度很高，为粉末的熔池提供了快速熔化和凝固的条件，有效抑制成形过程中的晶粒粗化。选区激光熔化过程中使碳化硅颗粒与铝基体之间发生原位反应，提高了基体与增强相颗粒之间的润湿性和界面结合强度，促使形成紧密结合的陶瓷/金属连续界面，大幅提高材料的机械性能。
附图说明
图1是实施案例1中混合粉末扫描电镜图片
图2是实施案例1中slm成形试样xoz面光学照片
具体实施方式
为了使本发明技术方案及优势更加清楚，以下结合具体的实施例，对本发明做进一步阐述：
实施例：
步骤一：首先，确定两种初始粉末的质量百分比，其中sic粉末质量分数为10％，alsi10mg粉末质量分数为90％。以上两种粉末的纯度都在99.9％以上，sic为不规则多角形，平均粒度为10μm，alsi10mg近似球形，平均粒度为30μm。
步骤二：将上述两种粉末通过混粉机进行均匀混合，混合时间4h，取出后进行干燥处理，获得混合粉末，混合粉末的质量为2000g，混合粉末扫描电镜图如图1所示。
步骤三：将上述sic/alsi10mg混合粉末用于slm成形。slm成形系统主要包括高功率yb-400光纤激光器、保护气氛装置、自动铺粉设备以及计算机系统。选区激光熔化成形过程中处理室中采用氩气保护，氧含量小于0.1％。在选区激光熔化成形前期的准备阶段，对基板进行喷砂处理，将粉末放置在供粉仓进行插实处理，同时采用不锈钢刮刀，以便控制铺粉层厚，提高铺粉的均匀性。成形过程中，首先对基板进行一次单次曝光。接下来铺粉装置将粉末均匀铺在成形基板上，激光束根据计算机设计好的扫描路径对切片区域进行逐行扫描，待完成一层成形后，成形基板下降一个层厚的距离，均匀铺设下一层粉末，激光束根据零件的第二层信息扫描粉末，重复以上步骤，直至整个零件加工完毕。在选区激光熔化成形过程中，采用氩气保护，其主要加工参数为：激光功率290w，光斑直径100μm，扫描速度1100mm/s，扫描间距0.12mm，铺粉层厚30μm。
将上述制得的试样经打磨、抛光、腐蚀后的xoz面(即垂直于基板方向)金相照片如图2所示，可以看出碳化硅颗粒在铝基体中分布较为均匀，且层与层之间熔池堆积紧密，层间距离等于或小于单层铺粉厚度30μm，这使得层间结合紧密，有利于减少缺陷，有效提高成形质量。利用阿基米德排水法测得试样致密度为97.76％，sic增强相与铝基体之间的界面润湿性及界面结合强度较好，致密度达到较高水平；经显微硬度计测定试样显微硬度值显著提高，达到216.2hv0.1，比slm成形alsi10mg合金试样提高至少50％。