【原】《MD》自潤滑鋁基復合材料：激光粉末床熔合vs放電等離子燒結

鋁合金由于其輕質和優異的比強度，在汽車和航空航天等領域都具有巨大的潛力。然而其柔軟的性質，導致Al的摩擦學性能是短板之一。鋁基復合材料(MMC)能夠增強耐磨性能。這些MMC可以是自身耐磨或自潤滑，這取決于增強體材料。石墨是常見的自潤滑添加劑，其次是石墨烯納米片(GNP)和過渡金屬二硫化物，例如二硫化鎢(WS₂)和二硫化鉬(MoS₂)。WS₂作為過渡金屬二硫化物，由于硫與金屬表面的親和性，能夠提供出色的抗磨損性能，與石墨和GNP相比，它改善了增強體和金屬基體之間的界面結合。激光粉末床熔合（LPBF）是典型的增材制造技術，制造的Al MMCs的增強體主要集中在Al₂O₃和SiC等，而自潤滑添加劑僅限于對石墨烯進行了少量研究，現有文獻中還沒有研究鋁-二硫化物復合材料的LPBF加工性能或研究在LPBF或SPS條件下Al和WS₂之間的界面反應。

英國諾丁漢大學的一項最新研究通過LPBF制造自潤滑材料Al-WS₂，并將其性能與現有的常用技術SPS進行比較，闡明加工過程中涉及的冶金反應，提出了一種分析摩擦過程中磨損軌跡演變的新方法。相關論文以題為“Metallurgical reactions and tribological properties of self-lubricating Al-WS₂ composites: Laser powder bed fusion Vs. spark plasma sintering”發表在Materials & Design。

論文鏈接：

https:///10.1016/j.matdes.2022.110543

本文使用超聲波混合法將Al粉末與5 wt%WS₂混合分散于乙醇中，干燥12h，分別使用LPBF和SPS進行制備。

LPBF樣品中的WS₂以納米級顆粒的形式存在，WS₂發生部分分解，在基體中形成納米級元素S、W、微米級W顆粒和Al-W金屬間相，而WS₂在SPS中產生Al-金屬間化合物微觀結構。LPBF試樣中的晶粒呈現出相對較強織構的柱狀形態，而SPS試樣則沒有明顯織構。固體潤滑劑WS₂在SPS和LPBF制備的復合材料中形成了高硬度新相，這會提高摩擦性能。與SPS Al-WS₂相比，LPBF Al-WS₂具有更高的硬度以及略微降低的COF（0.55±0.01）和磨損率（3.4±0.3×10^-3mm³/N·m）。據觀察，LPBF試樣的摩擦層形成較早。與SPS試樣相比，LPBF Al-WS₂中磨損影響的變形程度較低。

圖1 SPS和LPBF試樣的相對密度以及LPBF的表面孔隙率

圖2 LPBF Al-WS₂中的增強相分布

圖3 WS₂和Al基體之間化合物的微觀結構

圖4 LPBF和SPS試樣的COF變化、摩擦循環曲線及磨損形貌演變

圖5 不同摩擦循環后樣品表面磨損軌跡形貌及O元素分布

本文提出了一種新方法來描述摩擦層在不同磨損階段的演變。這是首次嘗試并成功使用LPBF原位制備Al-WS₂復合材料。結果證明LPBF是一種制造自潤滑復合材料的可行技術，并為在綠色摩擦學應用中利用增材制造技術鋪平了道路。從本研究的設計角度來看，增材制造不僅在制造方面具有優勢，在性能方面也具有優勢。發現原位反應以消耗潤滑的WS₂為代價形成了具有更高硬度的金屬間相，新相的形成（LPBF的W，SPS的Al₅W和Al₁₂W）為優化摩擦學性能的微觀結構提供了潛力，有望進一步提高材料的摩擦學特性。（文：破風）