選區激光熔化技術(selectivelasermelting, SLM)是增材制造技術中的一種粉末床熔煉技術，其原理是 利用激光選擇性熔化連續層金屬粉末并形成近網狀零件。與其他增材制造技術相比,SLM技術可以制備出表面 質量好、尺寸精度高、內部缺陷較少的零件。近年來，選區激光熔化技術因其對幾何復雜零件的設計和制造 具有高度靈活性而受到越來越多的關注，已逐漸成為金屬增材制造的主流。

GH4169合金因其較優良的拉伸、蠕變、疲勞強度和持久強度，在工業燃氣輪機、航空發動機和核反應堆 渦輪機等許多領域得到廣泛應用，已成為航空航天領域中應用最為廣泛、用量最多的高溫合金&呵。但 隨著科學技術的進步和高新技術產業的發展，傳統的GH4169合金無法滿足現代航空發動機所要求的高比強度 、高比剛度等性能要求。為了適應多種應用環境，就需要提升GH4169的綜合性能。其中，顆粒增強金屬基復 合材料在一定程度上滿足了這種需求，目前，通過在金屬基體中添加一定的高強度、高硬度的陶瓷顆粒來改 善材料性能成為金屬基復合材料研究熱點之一m切。然而，采用傳統的方法生產顆粒增強金屬基復合材料零 件，會導致致密化不足、顆粒微觀結構和團聚不規律，孔隙和裂紋的產生以及顆粒與基體的潤濕性也會影響 陶瓷顆粒對復合材料的增強效應問。而SLM由于其非平衡、快速熔化和凝固的特點，能夠很好地解決顆粒與 基體之間的界面結合問題。Xia等網采用數值模擬與試驗結合的方式，研究了 SLM參數對WC/Inconel718復合 材料微觀組織及力學性能的影響。研究表明：隨著激光掃描速度的提高，材料的顯微硬度及抗拉強度明顯提 高，延展率略有降低；當掃描速度從400mm/s提高到700mm/s時,材料晶粒明顯細化。Nguyen等問成功制備了 WC含量不同的WC/Inconel718復合材料，并研究了 WC含量對Inconel718合金微觀形貌及力學性能的影響。研 究結果表明：SLM參數設置合理時，可以得到幾乎致密(99.54%)的復合材料；當WC含量為15wt% 時,WC/Inconel718復合材料的顯微硬度和拉伸強度顯著提高。Rong等阿采用選區激光熔化技術成功制備了 WCl-X/Inconel718復合材料，并研究了激光功率對復合材料零件的致密度、顆粒分布狀態及顯微組織的影響 。研究發現：當激光能量線密度為303 J/m時,WC1-X顆粒在基體中分布均勻，與基體結合良好，在WC1-X與基 體間存在梯度界面層，并對該擴散層進行了研究。研究表明：擴散層由(W,M)C3(M=Ni,Cr,Fe)組成,且其厚度 和微觀形貌受施氫量的影響。關于選區激光熔化成形WC/GH4169復合材料摩擦磨損性能的研究還鮮有報道。 本文采用SLM技術制備了 GH4169合金和WC/GH4169復合材料，通過對比分析成形態的GH4169合金與WC/GH4169復合材料的組織和性能，為SLM成形高性能復合材料以及應用提供技術參考和理論依據。

1、試樣制備和試驗方法

1.1試驗制備

試驗采用氣霧化法制備的GH4169高溫合金粉末和球磨制備的WC粉末，粒徑范圍為15?53μm,其 中.GH4169合金粉末的化學成分見表1。

將粉末材料按80%(質量分數，下同)的GH4169合金粉末和20%WC粉末，在YXQM-2L立式行星球磨機中進行 混粉，球磨轉速為200r/min,球磨混合時間為4h。為防止其氧化，使用真空干燥機將球磨罐進行抽真空干燥 處理，為去除粉末中團聚的粉末顆粒,保證混合粉末良好的流動性，球磨后采用200目的篩網對得到的混合粉 末進行篩選。圖1為WC/GH4169混合粉末的SEM形貌圖。

試驗采用EP-M150型SLM設備，制備GH4169合金和添加WC粉末的WC/GH4169復合材料。激光參數設置為:激 光功率為285W、掃描速度960mm/s、掃描厚度為30p.m.考慮到選區激光熔化成形過程中試樣的快速加熱及冷 卻所產生的較大熱應力問題,采用相鄰層間的掃描路徑夾角為67。的掃描策略。

1.2分析測試

為了方便對比，標記平行于打印方向的為橫截面,垂直于打印方向的為縱截面，所有試樣不同截面依次 通過280?2000#砂紙打磨后，在拋光機(HYP-1)上進行拋光，將拋光后的樣品進行腐蝕(3%HF +6%HNO3+91%HCL),腐蝕時間約為3?7s。

采用金相顯微鏡(DMI8/MC190HD).掃描電鏡(SU-1500)對 SLM 成型 GH4169 合金及 WC/GH4169復合材料 的表面形貌、金相組織進行觀察、分析。采用HV-1000A顯微硬度計、HSR-2M型高速往復摩擦磨損試驗機進行 力學性能測試，硬度測試時載荷為500g,加載時間為10s,每個試樣測10次求平均值得到顯微硬度。摩擦對偶 選用直徑為φ5mm的SisN。陶瓷球，法向載荷為15NO輪盤轉速為360勤r/min,待磨試樣保持靜止，摩擦對偶做髙速往復運動，運行長度為5mm,測試時長為30min。

2、試驗結果與分析

2.1 GH4169合金和WC/GH4169復合材料的成形態組織

圖2為GH4169合金及WC/GH4169復合材料試樣橫截面的金相組織。從圖中可以清楚的觀察到SLM成形過程 中的掃描路徑，相鄰熔池間距約為80Fim,無明顯微裂紋及微孔等冶金缺陷。表明該工藝制備的GH4169合金及 WC/GH4169復合材料的微觀組織均勻且致密，成形良好。由圖2(b)可以看出WC顆粒呈層片狀形態均勻分布在 基體內。

圖3為SLM成形GH4169合金及WC/GH4169復合材料縱截面的SEM組織形貌。由圖3(a)可看出，合金以柱狀結 構為主，大量柱狀結構穿越熔池生長，且生長方向平行或者近似平行于成形方向。這是由于SLM成形過程中 ，在激光作用下，不僅未熔粉末完全熔化，前面己經凝固的部分再次被熔化，形成新的熔池。熔池的熱量首 先通過熔池的邊界傳遞給已經凝固的部分，然后再通過基板向外傳遞。由于熔池中固液界面前存在很大的正溫度梯度和儲存能，不具備形核條件，只能在已經凝固的晶粒方向上優先向熔池內部生長，從而形成了穿越多層生長的柱狀結構。

與GH4169合金組織相比.WC/GH4169復合材料試樣中柱狀結構變得不明顯，枝晶長度明顯變細變短，且在 熔道內部析出相明顯增多。這是由于WC顆粒熔點極高，選區激光熔化過程中WC顆粒無法完全熔化，殘留的WC 顆粒使得熔池液體流動性變差。又由于WC顆粒的熱導率低于基體，在熔池凝固時能有效阻礙熱流傳導，一定 程度上起到“熱封”作用，這導致SLM成形過程中的快速凝固得到緩解，熔池內的各元素有更多的時間擴散，因此將會析出更 多的沉淀相。另外,WC/GH4169復合材料的晶粒較GH4169合金相比明顯變小，說明WC顆粒的加入起到了細化晶 粒的效果。

2.2硬度試驗

圖4為GH4169合金和WC/GH4169復合材料成形件的顯微硬度變化曲線。可看出.WC/GH4169復合材料試樣的 平均顯微硬度值為51&36HV,明顯高于GH4169合金試樣的顯微硬度357.37HV,提高了 45.1%。這主要是由 于WC顆粒的加入一方面使組織細化，引起細晶強化，晶粒越細小，晶界越多，位錯滑移阻礙就越大，強度、 硬度得以提高。另一方面WC顆粒的加入一定程度上引起了晶格畸變，在顆粒周圍產生了局部應力場，應力場 對位錯起到了有效的釘扎作用，使得WC/GH4169復合材料的性能得以提升。

2.3摩擦性能

圖5為GH4169合金及WC/GH4169復合材料打印態的時間-摩擦系數關系曲線。從曲線可看出，WC/GH4169復 合材料的摩擦系數(最高1.0)明顯低于GH4169合金的摩擦系數(最高1.5),且WC/GH4169復合材料的摩擦系數比 較穩定，波動范圍小，這說明該復合材料的耐磨性有明顯提高。這是因為WC顆粒通過液相直接析出，組織細 小均勻，且WC顆粒硬度高，能起到彌散強化和細晶強化的作用。

圖6為GH4169合金及WC/GH4169復合材料試樣打印態下的磨痕微觀形貌。從圖6(a)可看出，GH4169合金磨 損后的表面出現明顯的剝層現象，且有大小不等、且凹凸不平的結疤，可見,GH4169合金以粘著磨損為主要 磨損機制。從圖6(b)可看出.WC/GH4169復合材料的表面相對較為光滑，出現了細而淺的犁溝，僅有少量的剝 落,磨損量小且磨損痕跡不明顯的。該復合材料中由于WC增強體在基體中均勻分布,磨損過程中能夠很好的支 撐基體，提高了基體的耐磨性。

3、結論

(1) 采用SLM工藝制備了 GH4169合金和WC/GH4169復合材料,WC增強體以細小層片狀均勻的分布在基體中 ，成形件表面光滑，致密度高，成形質量好。

(2) 添加WC粉末后,WC/GH4169復合材料的顯微硬度、耐磨性明顯提高,WC/GH4169復合材料硬度為518.36 HV,相比GH4169合金(357.37HV)提高45.1%；WC/GH4169復合材料的摩擦系數明顯低于GH4169合金的摩擦系數 ，且WC/GH4169復合材料的摩擦系數比較穩定,波動范圍小。

(3) 從組織上看，加入WC顆粒，原柱狀晶結構變細變小,WC顆粒均勻分布在基體中，起到彌散強化和細 晶強化作用，使得WC/GH4169復合材料的硬度和耐磨性能提高。

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