上海交通大学吕维洁教授团队：增材制造原位自生三维网络增强钛基复合材料
Ti6Al4V广泛应用于航空航天领域，但较低的硬度和耐磨性限制了其进一步发展。据报道，添加陶瓷颗粒，如SiC、TiB和TiC，可以有效提高Ti6Al4V基体的相应性能。
颗粒增强钛基复合材料(Titanium matrix composites, TMCs)具有高比模量、比强度和优异的抗高温氧化及蠕变性能，在航空航天、武器装备等领域应用潜力巨大，当前正成为新材料领域备受关注的一种新型战略性结构材料。作为金属激光增材制造技术的一种，激光熔化沉积制造技术(Laser melting deposition, LMD)具有成形材料与形状无限制、高能量密度与高成形精度的特点，同时具备高粉体利用率与高生产效率、低制备成本等优势，为原位合成颗粒增强钛基复合材料提供了新的技术手段。
上海交通大学吕维洁教授团队基于激光熔化沉积的快速熔化/凝固原理，在Ti6Al4V基体内原位自生出一种准连续网状组织结构，分别合成相同体积分数增强体增强的(TiB+TiC)/Ti6Al4V、(Ti5Si3+TiC)/Ti6Al4V和TiC/Ti6Al4V三类钛基复合材料，对比分析了基体和复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能。
相关研究论文以题为《激光熔化沉积原位制备三维网状Ti6Al4V基复合材料的组织与力学性能》发表在《中国有色金属学报》。本期谷.专栏，将分享该文的研究背景、亮点、研究结果与结论。
http://ysxb.csu.edu.cn/thesisDetails#10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42700&lang=zh
研究背景
非连续颗粒增强钛基复合材料是一种重要的轻量化结构-功能一体化材料。在航空航天、空间技术、武器装备、能源和环境形势日益严峻的今天，这种轻质、高强颗粒增强钛基复合材料是航空航天、能源发展与交通运输等若干关键领域中不可替代的共性关键材料。
原位自生方法是目前颗粒增强钛基复合材料制备的主流方法，其制备技术主要有熔铸法、粉末冶金法、自蔓延高温合成法、机械合金化法、激光沉积法等其它多种多样的原位自生法。诸多制备方法可归纳总结为固-固反应法，固-液反应法和气-固反应法。而固-固反应法又是这些方法中应用最广泛的一种方法，包括反应热压法、放电等离子烧结法、机械合金化法和自蔓延高温合成法等。
然而，颗粒增强钛基复合材料采用这些单一方法仍无法一次性制备出尺寸形状和性能综合匹配的产品。因此，为获得构件结构与性能匹配的钛基复合材料产品，需要对材料辅助以二次加工，从而获得最终的复合材料产品。另外，颗粒增强钛基复合材料因高强陶瓷颗粒增强相的存在，使得材料变形抗力大，很难加工出复杂轮廓外形的工件，且材料室温塑性很差，增加了钛基复合材料热变形的加工难度，因此，进一步加强钛基复合材料加工技术研究，强化该材料加工技术的推广应用具有重要的现实意义。
作为重塑全球制造业格局的颠覆性新技术，激光增材制造具有速熔速冷的工艺特性，可以实现组织和性能的定制化，成为开发微纳协同强化钛基复合材料的重要手段之一。
文章亮点
基于激光熔化沉积的快速熔化/凝固原理，在Ti6Al4V基体内原位自生出一种三维准连续网状组织结构，深入分析了网状结构的形成机理，为增材制造多元混杂增强高性能钛基复合材料的可控制备奠定理论与技术基础。
图文解析
TiB和TiC增强的Ti6Al4V基复合材料呈现出等轴网状结构和柱状网状结构（图1），单个网格尺寸~60 μm，网格内分布有厚度约为1.5 μm的板条状α相。该网状结构可显著细化晶粒、强化晶界、提高复合材料的力学性能。
图1 原位合成的三维网状结构
原位自生三维网状结构形成机理如下：Ti6Al4V与B4C粉体经激光熔化后，形成由Ti、B以及C组成的熔池。由于激光瞬时高能量的输入，熔池内形成极高的温度梯度，使得熔池内存在复杂的熔体对流，导致B与C原子重新分布。在熔池底部，当温度处于液相线时，初生β晶开始形核。随着初生β晶的长大，B、C原子进入液相中，在凝固前沿出现B、C富集区。B的富集可降低液相线温度，导致成分过冷。随后，β晶粒外延生长形成树枝晶结构。当温度降至三元共晶点温度时，β枝晶及枝晶间区域的共晶组织(TiB+TiC+β)共同形成了树枝网状结构（图2a）。随着凝固过程的持续进行，熔池中部的温度梯度随之降低，熔体对流程度减弱。B、C原子可继续在β枝晶的前沿富集，从而为等轴β晶的形核提供足够的过冷度，因此，等轴初生β晶可在已形成的β树枝晶前沿位置形核并长大，从而实现β枝晶向等轴晶的转变。随着熔池温度降至共晶点温度，残余液相中便发生共晶反应。最终，共晶组织β、TiB及TiC共同形成了等轴网状结构（图2b）。
图2 网状结构形成机理:（a）柱状（树枝）网络结构；（b）等轴网络结构。
研究结论
(TiB+TiC)/Ti6Al4V复合材料呈现出三维准连续柱状网络结构和等轴网络结构，可显著细化晶粒、强化晶界、提高强度162 MPa；B原子导致的成分过冷以及三元共晶组织（TiB+TiC+β）的形成是网状结构形成的主要原因。发展先进的近净成形加工技术，将颗粒增强原位合成技术与激光增材制造技术（3D打印）结合，能够制备高性能颗粒增强钛基复合材料复杂制品，将成为目前颗粒增强钛基复合材料先进加工技术重要的发展方向之一。
原文信息：
刘化强,王治涵,冯姝慧,方旻翰,韩远飞,吕维洁.激光熔化沉积原位制备三维网状Ti6Al4V基复合材料的组织与力学性能[J].中国有色金属学报,2023,33(02):372-385.
研究团队
吕维洁，上海交通大学材料学院 特聘教授。
国家万人计划科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才，上海市优秀学术带头人，上海市教委曙光学者，上海市科技启明星(跟踪)、全国优秀博士学位论文获得者，长期从事金属基复合材料研究，重点研究方向为钛合金及钛基复合材料。始终聚焦于原位自生钛基复合材料制备科学应用基础研究，成功开发具备优异耐热性能和高强高模的两类钛基复合材料，在关键领域(包括航天、船舶等)获得多品种、多规格、多批次应用。主持承担国家重点研发计划项目、国家973课题、863课题、国家自然科学基金重点/面上、核电专项、国防装备预研和军品配套等项目50余项；获得国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、上海市科技进步二等奖等，授权专利30余项、发表论文300余篇，出版专著3部。
韩远飞，研究员，博导，国家级青年人才入选者。
目前主要从事耐高温钛基复合材料制备与激光增材制造研究。主持国家自然科学基金面上和青年项目3项、国家重点研发课题1项、装发预研项目2项、上海科委重点基础研究项目2项。近年来，在权威期刊发表论文90余篇，申请和授权国家发明专利20余项，国际专利1项；两次获得上海交通大学“晨星优秀青年教师”、“晨星学者”、上海市浦江人才、上海真空科技进步奖/特等奖以及上海真空学会青年创新奖等奖励。
刘化强，上海交通大学博士生，主要从事钛基复合材料的激光增材制造。
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