梯度复合材料激光熔化沉积成形的研究进展

高性能梯度复合材料是为克服现有单一均质材料无法满足某些特殊性能要求或为充分发挥不同材料的性能潜力而发展的一类新型复合材料,其显著特征是材料的组分、结构及物性参数根据需要呈连续或梯度变化。激光熔化沉积成形技术采用逐点连续添加材料成形,赋予了该技术在材料组成、凝固组织、外形尺寸等控制上的极大柔性,是未来发展集材料设计、制备、成形及组织性能控制于一体的材料智能制备与成形技术的重要方向。着重介绍采用激光熔化沉积成形技术制备镍系、钛系梯度复合材料方面取得的最新研究进展,通过分析存在的问题和面临的挑战,指出了未来工作的主要方向。     

激光熔化沉积制备TiB+TiC/Ti6Al4V复合材料微观组织研究

激光熔化沉积制备的钛合金微观组织中常出现异常粗大的柱状晶粒,限制了其在复杂承力结构件方面的应用。为降低原始晶粒的尺寸,提高合金强度,本文基于原位自生反应原理,在Ti6Al4V粉末中添加少量的颗粒增强体B₄C得到混合粉末,并通过激光熔化沉积工艺制备出熔覆层以及多层钛基复合材料(TMC)。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和显微硬度仪等测试手段研究了B₄C的添加对Ti6Al4V合金微观组织的影响规律,并对其作用机制进行了分析。研究表明:B₄C的添加降低了原始β晶粒的尺寸,并强化了合金基体。当添加1wt.% B₄C颗粒时,晶粒的外延生长得到有效抑制,原始β晶粒开始出现柱状晶向等轴晶转变(CET)的趋势,柱状晶粒尺寸由原始的平均600 μm减小到50 μm。同时,B₄C与钛基体发生原位反应形成的混杂增强相TiB和TiC富集在晶界,构成三维网状结构,不仅限制了晶内α相的生长,同时也起到了第二相强化的作用,使基体的硬度较基材提高了15 %以上。     

激光熔化沉积成形过程数值模拟研究现状

激光熔化沉积(Laser melting deposition,LMD)技术具有效率高、成本低、成形件性能优异等优点,成为零件修复和大尺寸构件制造的有效方法.然而,金属LMD成形是金属粉末、激光束和基体三者相互作用的一个多因素耦合过程,涉及流动熔池、快速非平衡凝固、固态相变以及复杂的温度和热应力演变.预测熔池流动情况、凝固规律以及温度应力的演变规律,对于成形试样的气孔、裂纹等缺陷控制,微观组织、力学性能和应力变形调控具有重要意义.数值模拟是一种经济、快捷的工具,对于LMD成形过程的粉末流动预测、熔池变化预测、组织预测、温度观测以及冷却后的残余应力和变形预测具有重要意义.近几年,LMD数值模拟研究已经涉及以上几个方面,但研究深度各不相同.针对温度场的研究,主要集中于建立不同的热源模型,探讨沉积过程的温度演变及工艺方案的影响规律.针对应力场的研究,以探索工艺方案的影响规律和应力消除方法为主.研究流场则以熔池流动和粉末流动为主.微观组织模拟考虑熔池流动对宏观温度场及熔池形状的影响,采用定向凝固的生长条件,可以确定枝晶一次间距等凝固信息.本文主要从温度场、应力场、流场、微观组织等几个方面总结了金属激光熔化沉积数值模拟的研究现状,并提出了其存在的问题和预发展的方向.     

真空搅拌TiCp/7075复合材料的组织、力学与耐磨性能

采用真空辅助搅拌铸造法制备了TiCp/7075复合材料,利用XRD和SEM对复合材料进行物相分析和微观组织观察,研究了复合材料的力学性能和耐磨性能.结果表明,TiC增强体颗粒均匀分布在7075铝合金基体中,并且显著细化了基体合金的晶粒尺寸.TiC颗粒使基体合金的晶粒由200μm的树枝晶转变为约100μm的等轴晶.TiCp/7075复合材料的布氏硬度和抗拉强度分别为163HBW和362 MPa,较基体合金分别提高了20.7％和20.3％,这是细晶强化和颗粒承载机制共同作用的结果.TiC颗粒的加入有效改善了7075基体的耐磨性,在10 N载荷下,复合材料的磨损量为2.9 mg,较基体减少54.7％.复合材料在磨损过程中裸露的TiC硬质颗粒优先与对磨材料接触,减小了复合材料与对磨材料的有效接触面积,提高了复合材料的耐磨性.     

激光熔化沉积铝合金显微组织及力学性能

目的 提高激光熔化沉积铝合金的成形质量。方法 以颗粒度45~105 μm的AlSi10Mg粉末为材料,4045铝合金为基板,利用激光熔化沉积设备在充氩舱内进行铝合金成形试验。测试试样的硬度和拉伸性能,并通过扫描电子显微镜和光学显微镜进行显微组织形貌分析。结果 在沉积方向上,试样显微组织呈现周期性条带状纹路,搭接区域呈现出比较明显的弧形特征;含有大量的细密树枝晶。该合金相成分主要包括:Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si强化相。沿扫描方向,试样平均硬度值约为130HV;沿沉积方向,试样平均硬度值约为100HV;沉积态试样的屈服强度约为185.75 MPa,伸长率约为15.21%;沉积态试样拉伸性能明显优于压铸试样;该铝合金的失效形式为韧性断裂。结论 AlSi10Mg在激光熔化沉积时具有良好的成形能力,沉积态的组织强度高于铸态组织强度。     

选区激光熔化3D打印钛合金及其复合材料研究进展

选区激光熔化(SLM)3D打印技术作为近年来快速兴起的增材制造技术,在航空航天、国防和生物医疗用高性能钛合金及其复合材料关键及复杂结构件方面具有显著优势、发展潜力巨大.SLM 3D钛合金晶粒细小且常含有大量的α′马氏体,而SLM 3D钛基复合材料中则通常可以原位生成纳米尺度的TiBw和TiCp等陶瓷增强相,使得成形构件的力学性能显著优于铸件和粉末冶金制品水平.本文在介绍SLM 3D打印技术的原理与特点基础上,着重评述了其在钛合金及其复合材料的应用基础研究及工程应用进展,并对未来相关关键基础科学与技术问题进行了展望.     

原位自生TiCp/6061复合材料的组织、硬度及耐磨性能

采用接触反应法制备了原位自生Ti Cp/6061复合材料,利用XRD和SEM对复合材料进行物相分析及微观形貌观察,用6061铝合金基体材料作为对比,研究了增强粒子含量对复合材料硬度和摩擦磨损行为的影响。结果表明,采用接触反应法,以Ti粉、C粉和Al粉作为生成Ti C增强相的原材料,可直接在6061铝合金基体中原位生成Ti C颗粒,Ti C颗粒呈规则多边形,尺寸为0. 5～1μm。随着增强粒子含量的增加,原位自生Ti Cp/6061复合材料的硬度明显提高,T6热处理后5%(质量分数)的Ti Cp/6061复合材料的硬度为120. 5HBS,比基体6061铝合金提高了28. 1%。这是Ti C颗粒对6061基体材料的位错强化和细晶强化综合作用的结果。此外,随着增强粒子含量的提高,原位自生Ti Cp/6061复合材料的耐磨性也增强; T6热处理后,在100 N恒压作用下与GCR15材料对磨300 s,基体6061铝合金失重是5%(质量分数) Ti Cp/6061复合材料的2倍。其原因在于Ti C颗粒含量的提高减小了对磨材料与复合材料的有效接触面积,从而增强了原位自生Ti Cp/6061复合材料的耐磨性能。     

选区激光熔化铝基复合材料研究进展

铝基复合材料是一种重要的轻量化材料,其在服役环境中的腐蚀行为与设备的安全运行密切相关。选区激光熔化(SLM)技术为复杂结构铝基复合材料部件的近净成形与快速制造提供了新的技术途径。本研究从SLM技术的制备原理、SLM铝基复合材料的力学和耐蚀性能的研究进展等3个方面进行综述,并对SLM铝基复合材料未来研究方向进行展望。     

激光熔化沉积(TiB+TiC)/TA15原位钛基复合材料的显微组织与力学性能

利用激光熔化沉积工艺制备了TiB+TiC增强相体积分数分别为9%、11%、22%及57%的4种(TiB+TiC)/TA15原位钛基复合材料。随增强相含量提高,TiB形态由片层状向棱柱状转化,TiC形态由不规则颗粒状向枝晶状转化,钛基复合材料硬度及弹性模量均显著提高而塑性明显下降。增强相体积分数约为9%的复合材料表现出较好的综合力学性能,增强相体积分数大于11%后复合材料的抗拉强度急剧降低。与激光熔化沉积态TA15钛合金相比,TiB+TiC增强相体积分数约为9%的复合材料抗拉强度（1040 MPa）及屈服强度（935 MPa）均提高约12%。      

Microstructures and Mechanical Properties of TiCp／A1-4.5Cu-0.8Mg Composites by Direct Reaction Synthesis

Direct reaction synthesis (DRS), based on the principle of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), is a new method for preparing particulate metal matrix composites. TiCp/Al-4.5Cu-0.8Mg composites were fabricated by DRS. Particulate composites were fabricated with Ti carbide (TiC) particles, generally less than 1.0μm. The reacted, thermal extruded samples exhibit a homogeneous distribution of fine TiC particles in Al-4.5Cu-0.8Mg matrix.Mechanical property evaluation of the composites has revealed a very high tensile strength relative to the matrixalloy. Fractographic analysis indicates ductile failure.     

In-situ TiCP/Al Composites Prepared by TE/QP Method

1.IntroductionThermal explosion/quick pressure(TE/QP)tech-nique,a self-reaction process initiated and supported bythe chemical reaction heat between different elementsin a system,is an advanced method for synthesis ofmaterials[1~4].This technique was classified into twodifferent routes:self-propagating reaction synthesis andthermal explosion synthesis[5,6].The advantages of thistechnique are characterized as simple process,no spe-cial equipment requirement,economic energy,lower cost,high syn…     

SiCf/Ti复合材料的研制

概述了国外碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研制、性能及应用情况，并对箔压法制备SiCf/Ti复合材料的工艺及材料性能进行了研究。结果表明，本研究采用FFF法制作的SiCf/Ti复合材料能达到国外同类材料水平。此外，本研究还对SiCf/Ti复合材料各主要制作工艺进行了分析比较，认为真空等离子喷涂工艺是较有前途的。     

电解液组分对TiCP/Ti6Al4V复合材料微弧氧化膜耐蚀性及耐磨性影响

采用微弧氧化技术在 TiC_P/Ti6Al4V 复合材料表面制备陶瓷膜。在NaAlO₂和NaH₂PO₂两种溶液体系中通过添加不同添加剂 NaOH、C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O和Na₂SiO₃, 研究电解液组分对陶瓷膜组织、耐蚀性和耐磨性的影响。结果表明: 在NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层由金红石型和锐钛矿型TiO₂相组成, 而在NaAlO₂体系中除了生成TiO₂外, 还生成了Al₂TiO₅和γ-Al₂O₃。添加NaOH可以加快微弧氧化反应速率, 添加NaAlO₂和Na₂SiO₃有利于提高膜层的硬度, NaH₂PO₂溶液体系中形成的膜层厚度是NaAlO₂溶液体系的2~3倍。 在NaAlO₂和NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层, 其耐腐蚀性能排序均为: Na₂SiO₃>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O>NaOH。在NaAlO₂电解液体系中生成的膜层的耐磨性能排序为: Na₂SiO₃>NaOH>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O, 而在NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层的耐磨性能排序为: Na₂SiO₃>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O>NaOH。TiC_P/Ti6Al4V复合材料经过微弧氧化处理后, 耐磨性和耐蚀性均优于基体, 在NaH₂PO₂+Na₂SiO₃电解液中生成的微弧氧化膜的耐蚀性最好, 耐磨性也较好, 其腐蚀电流密度较钛基复合材料基体降低约2个数量级, 因此综合性能最好。     

激光熔覆沉积钛基复合材料的组织及性能

通过在激光熔覆沉积过程中向熔池内送入一定比例纯Ti粉和B4C颗粒，直接制备出钛基复合材料，分析了所制备材料的微观组织、相组成及性能。结果表明，在激光熔覆沉积过程中，Ti粉和B4C颗粒发生原位反应，生成与基体界面结合良好的TiC和TiB增强相，TiC为短棒状或颗粒状，TiB为短纤维状，复合材料中同时有大量未完全反应的B4C颗粒存在，所制备钛基复合材料的抗拉强度、硬度较激光熔覆沉积的纯钛有较大幅度的提高。     

GO/Ti基复合材料界面性质的第一性原理研究

目的 研究氧化石墨烯在继承石墨烯优异性能的同时,是否会因为官能团的存在而影响复合材料界面的结合方式,抑制脆性相TiC的产生,解决石墨烯作为增强体时易发生界面反应从而影响材料塑韧性的问题。方法 根据(0001)Ti∥(0001)GO、 ∥ 界面位向关系,建立了Ti/氧化石墨烯/Ti共格界面模型。采用第一性原理计算方法从电子原子尺度研究了环氧基和羟基对Ti/氧化石墨烯/Ti界面黏附功、界面能、原子结构和电子结构的影响。结果 环氧基和羟基都会使界面黏附功变大,界面能减小,形成结合更强、更稳定的界面,其中环氧基的贡献更大。官能团附近的Ti原子与氧化石墨烯中C原子的结合能力减弱。在形成界面时,氧化石墨烯被还原,环氧基和羟基中的O原子与Ti基体会发生反应生成固溶体,羟基中的H原子可能保持与O原子之间的相互作用,也可能会脱离O原子的束缚与Ti基体有相互作用。结论 当氧化石墨烯和Ti基体形成界面时,氧化石墨烯的官能团会固溶在Ti基体中,抑制界面产物脆性相TiC的产生,石墨烯的片层结构更容易被保留,形成界面结合更好的复合材料。     

Selective Laser Melting of Ti Composites: Latest Developments

正Ti and Ti alloys are wonderful metal materials,showing excellent corrosion resistance,high specific strength and outstanding biocompatibility~([1-2]). They have been widely used in a variety of industries,including aerospace engineering,biomedical engineering,off-shore drilling,automobile industry and even jewelry industry~([1-2]). To further improve their performance for satisfying the     

Ti/Al2O3复合材料性能研究

本文利用放电等离子烧结技术制备了致密的Ti/Al2O3复合材料.实验结果表明,60vol%Al2O3和80vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成少量的TiAl,使得Ti与Al2O3间的界面能大于其单个晶粒的界面能,复合材料性能随Ti含量的增加而增大;40vol%Al2O3和20vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成脆性的Ti3Al相,使得Ti与Al2O3间的界面能小于各自晶粒的界面能,材料的性能随Ti含量的增加而降低,同时断裂的模式也发生改变,由穿晶断裂为主转变为沿晶断裂,脆性的Ti3Al相是Ti/Al2O3复合材料力学性能降低的主要原因.     

Ti表面磁控溅射Nb膜的研究

Ti表面磁控溅射Nb膜作为Ti与其他金属连接的合金层或过渡层有着重要的研究意义和实用价值.本文研究了基体温度、薄膜厚度、真空退火对Nb膜附着性和组织结构的影响,应用扫描电镜观察了膜层表面和界面,用X射线衍射分析研究了膜层物相组成,用划痕法测试了薄膜的附着性.结果表明薄膜组织为纤维状晶粒;溅射时对基体适当加热有利于成膜的致密性;一定温度范围内的真空退火可以提高附着性,但不显著,温度达到500 ℃后,薄膜发生剥落;Nb膜厚度从500 nm增加到2000 nm,晶粒变大,附着性变差;溅射及退火过程中均无新相生成.