用于轻量化光学应用的纳米SiO?/AlSi10Mg复合材料的激光粉末床熔融技术

《Postharvest Biology and Technology》：Laser powder bed fusion of nano-SiO?/AlSi10Mg composites for lightweight optical applications

纳米SiO?改性AlSi10Mg粉末的流动性与力学性能研究，通过LPBF工艺发现添加0.5wt%纳米SiO?显著提升粉末流动率至122s/50g，但熔池粘度增加导致制品孔隙率升高，拉伸强度和延伸率分别降低16%和48%，显微硬度略有上升。

　　

冯志坚|韩伟|托尔斯滕·H·贝克尔|孔凌宝

复旦大学光学科学与工程系，上海超精密光学制造工程研究中心，中国上海200433

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术在制造轻质、高精度的铝合金部件方面具有巨大的应用潜力，但在控制熔池行为和抑制缺陷方面仍存在挑战。本研究向AlSi10Mg粉末体系中添加了0.5 wt%的纳米SiO?，以改善粉末流动性，并系统评估了其对LPBF成型部件的密度、微观结构和机械性能的影响。结果表明，纳米SiO?的添加显著提高了粉末流动性，达到了122 s/50 g的粉末流速，同时略微增加了体积密度，从而促进了粉末的均匀分布。微观结构分析显示，纳米SiO?促进了异质形核过程，但对晶粒尺寸的影响较小。然而，熔体粘度的增加导致部件的孔隙率升高，并伴有局部氧化物的富集和微裂纹的形成。与未经改性的AlSi10Mg相比，复合样品的拉伸强度和延伸率分别降低了约16%和约48%，而显微硬度略有增加。晶格结构的压缩测试显示，虽然保持了渐进式致密化特性，但峰值载荷有所降低。这些结果揭示了纳米SiO?对LPBF制造的纳米SiO?/AlSi10Mg复合材料中粉末特性、熔池动态和宏观性能的耦合影响，为陶瓷改性铝合金粉末的优化提供了见解。

引言

增材制造（AM）技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF），近年来由于其能够直接从数字模型制造复杂的三维部件而受到越来越多的关注。通过逐层熔化和固化金属粉末，LPBF消除了传统制造中所需的模具制造和多步骤组装，从而缩短了生产周期，降低了成本，并提高了产品可靠性[1]、[2]、[3]。这项技术已广泛应用于航空航天、汽车、模具和生物医学领域，这些领域对轻质和高性能金属部件的需求很高[4]、[5]、[6]、[7]。

在各种LPBF处理的材料中，AlSi10Mg因其低密度、高比强度、优异的抗氧化性以及良好的热导率和电导率而成为了一个突出的候选材料，特别适合用于航空航天应用中的轻质结构部件[8]、[9]、[10]、[11]。然而，一些工艺固有的挑战仍然限制了AlSi10Mg的LPBF加工。LPBF固有的快速加热和冷却过程常常会产生不稳定的熔池，导致孔隙和裂纹[12]、[13]、[14]。严重的温度梯度还会引起残余应力，尤其是在薄壁或几何形状复杂的部件中，导致变形或开裂[15]。此外，快速冷却速率会促进细小树枝状结构的形成和非平衡相的出现，从而降低机械性能[16]。尽管已经通过优化工艺参数和扫描策略做出了大量努力来解决这些问题，但对于原料粉末的固有特性却关注较少。

最近的研究表明，将纳米颗粒掺入基于铝的材料中是调整激光粉末床熔融（LPBF）制造部件的微观结构和提高材料性能的有效方法。其中，SiC、TiC、Al?O?和TiB?等陶瓷颗粒最常被用作增强相[17]。SiC颗粒可以提高基于铝的复合材料的强度、硬度和模量，但可能会产生Al?C?等脆性相，影响长期可靠性和耐腐蚀性[18]。TiC增强的基于铝的复合材料具有高硬度和耐磨性；然而，TiC的高体积密度会增加复合材料的整体密度，并引入类似的界面反应问题[19]。Al?O?不会像含碳陶瓷那样容易产生碳化物反应产物；用它增强的铝基材料通常具有更好的耐腐蚀性和热稳定性，但其热导率、润湿性和界面结合可能不尽如人意[20]。TiB?作为铝基材料的增强颗粒，通常与铝有很强的界面结合，并能显著细化晶粒。然而，其粉末成本较高，在相同体积分数下会导致更明显的重量增加[21]。总体而言，不同的陶瓷增强相在增强效果、界面稳定性、密度和工艺兼容性方面各有优缺点。

与SiC、TiC、Al?O?和TiB?相比，SiO?具有综合优势，包括更低的密度、更低的成本和更高的界面安全性。由于不含碳，SiO?避免了Al?C?等有害相的形成，有利于长期使用稳定性。此外，SiO?还可以降低热膨胀系数[22]，使其特别适合需要轻量化设计、热循环稳定性和良好工艺兼容性的LPBF应用。此外，纳米SiO?还可以提高粉末流动性，这对于确保均匀的层分布和足够的堆积密度至关重要。流动性不足往往会导致粉末分布不良、孔隙形成和其他缺陷，同时也会加剧商业LPBF系统中的粉末滞留问题。多项研究表明，用纳米二氧化硅（SiO?）对金属粉末进行表面处理可以有效提高流动性，而不会对工艺性能或最终部件性能产生不利影响。例如，Emminghaus等人[23]报告称，纳米SiO?处理改善了Ti6Al4V粉末的流动性能，而没有显著改变表面粗糙度、孔隙率或硬度。Karg等人[24]表明，用0.5 wt%气相纳米SiO?干涂覆AlSi粉末显著提高了粉末层的平整度和相对密度。同样，Li等人[25]观察到经过二氧化硅改性的原料粉末流动性有所改善，而微观结构和硬度几乎没有变化。在上述研究中，只有Karg等人的研究专注于基于铝的复合材料。然而，该研究仅关注了粉末本身的流动性和LPBF样品的密度，缺乏对样品微观结构、机械强度和热稳定性的分析。这限制了纳米SiO?改性基于铝的材料的进一步研究。

尽管对LPBF制造的陶瓷改性AlSi10Mg合金进行了大量研究，现有工作主要集中在机械强度和耐磨性上，而陶瓷添加剂对热尺寸稳定性和应用驱动的性能权衡的影响尚未得到充分探索。在本研究中，将纳米SiO?引入AlSi10Mg粉末体系中，以研究其对粉末流动性、熔池稳定性、微观结构演变和LPBF加工过程中的热膨胀行为的影响。通过将粉末级别的改性与熔池行为和最终的热机械性能相关联，这项工作为LPBF制造的铝复合材料中纳米SiO?的积极作用提供了新的机制见解，并为设计轻质和热稳定的增材制造材料提供了指导。

部分摘录

粉末和混合

作为基材使用了气雾化AlSi10Mg粉末（15–53 μm，AVIMetal Powder Metallurgy Technology（北京）有限公司，中国），而作为改性剂使用了疏水性气相纳米SiO?粉末（50 nm，Yumu（宁波）新材料有限公司，中国）。粉末在机械搅拌机中以30 rpm的速度混合了60分钟。使用的纳米SiO?质量分数为0.5 wt%。在这种代表性含量下，纳米SiO?有效改善了粉末流动性并改变了熔池行为

粉末特性和流动性

在先前的研究中，SiC增强剂已被证明可以增强强度/刚度并改善熔池行为，但它们的性能对颗粒形态和粉末流变学非常敏感：不规则的SiC颗粒已被报道会降低粉末流动性/分散性并减弱拉伸性能，同时可能发生界面反应（如Al?C?的形成）[29]。Al?O?在氧化物分散和热稳定性方面具有吸引力，但需要严格的分散控制（通常通过

案例研究：用于空间光学的轻质镜子

图20展示了一个使用SiO?/AlSi10Mg原料在200 W功率和1400 mm/s速度下制造的光学轻质镜子演示器。内部的六边形蜂窝结构（图20(a)）旨在在保持弯曲刚度的同时减轻质量，这是承受热机械载荷的空间光学系统的有效策略。图20(b)和(c)分别显示了制造后的顶面和底面，揭示了封闭的面板和开放蜂窝核心。经过精密抛光后，正面

结论

本研究探讨了纳米SiO?（0.5 wt%）对激光粉末床熔融（LPBF）用AlSi10Mg原料的表面改性，并量化了其对粉末分布、致密化、微观结构、缺陷和性能的影响，以轻质镜子作为演示器。主要发现包括：

(1)

纳米SiO?显著提高了粉末流动性（霍尔流速为122 s/50 g）并略微增加了体积密度（从1.41 g·cm?3增加到1.45 g·cm?3），增强了层均匀性。然而，它的添加提高了熔体粘度

CRediT作者贡献声明

冯志坚：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，研究，数据管理。韩伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，方法学，资金获取，概念化。托尔斯滕·H·贝克尔：项目管理，概念化。孔凌宝：验证，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金优秀青年科学家基金计划（海外）的支持。