{首页主词},&

華南理工頂刊：優異強韌性！雙相增強增材制造金屬基復合材料

2022-04-13 14:09:51 作者：材料基來源：材料基分享至：

增材制造的優勢在于可以靈活地調節合金成分，并且通過同步送粉即可合成多種粉末基的復合材料。在以往的研究中，已有大量關于增材制造制備陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的研究。然而，關于陶瓷顆粒的添加對于合金增材制造過程顯微組織演變（如原位析出）的影響卻鮮有報道。

來自華南理工大學、廣東省科學院等單位的研究人員提出通過加入SiC顆粒可以誘導C300馬氏體時效鋼（MS）原位析出相的形成，從而制備出SiC和原位析出相雙相增強的MS基復合材料。相關論文以題為“Duplex strengthening via SiC addition and in-situ precipitation in additively manufactured composite materials”發表于復合材料學科頂級期刊《Composites Part B: Engineering》（2020年影響因子：9.078，中科院一區）。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109820

顆粒增強金屬基復合材料（MMCs）由于具有高的強度、硬度和耐磨性，同時保持良好的韌性、高溫蠕變性能和疲勞強度，被廣泛應用于航空、航天、交通等領域。激光粉末床熔融（LPBF）是一種新型的制備MMCs的增材制造方法，獨特的逐層工藝方式突出了直接從粉末加工復雜和近凈形部件的優勢，為簡化制備MMCs的工藝路線和交貨時間提供了巨大潛力。此外，通過LPBF制備MMCs還具有晶粒細化以及激光吸收率高的特點，從而使得所制備的復合材料擁有極佳的力學性能。

本文通過LPBF制備了含量為3、6、9、12、15、18vol% SiC顆粒增強MS基復合材料。首先，對MS-SiC復合材料的致密度進行了表征，如圖1所示。在添加量低于12vol%時，復合材料內部僅存在少量氣孔，且孔隙度隨SiC顆粒的加入變化不大。然而，當SiC含量達到15和18vol%時，出現了一些裂紋和未熔合等缺陷。這可能是由于高熱導率的SiC顆粒在冷卻過程中顯著增加了熔池的熱導率，從而導致殘余應力增加。此外，SiC的加入使得復合材料的塑性下降，最終導致了材料內部缺陷的產生。

圖1 LPBF制備SiC顆粒增強MS基復合材料的致密度分析

圖2為SiC顆粒增強MS基復合材料的顯微組織。如圖（a）所示，原始態MS鋼的顯微組織為典型的胞狀結構。隨著SiC顆粒的加入，復合材料的胞狀組織逐漸向枝晶組織轉變。當SiC含量大于12vol%時，復合材料內部組織由枝晶組織主導，這與高熱導的SiC顆粒提高了熔池的凝固速率有關。此外，結合EDS結果表明，SiC的加入可以誘導復合材料內部富C、Mo和Ti的顆粒生成，而這些顆粒在原始的MS鋼很少被觀察到，說明SiC的加入可能誘導了MS鋼增材制造過程中的原位析出。

圖2 LPBF制備SiC顆粒增強MS基復合材料的顯微組織

進一步對C300-MS和MS-3vol%SiC復合材料進行TEM表征分析表明，原始態MS鋼內部基本無析出相，而MS-3vol%SiC復合材料內部發現有大量納米析出相的產生，充分表明SiC的加入誘導了MS內部原位析出相的形成。通過進一步的HRTEM和STEM-EDS分析，這些析出相被確認為Fe2Mo和η-Ni3Ti相。MS內部原位析出相的形成使得該類復合材料為SiC和原位析出相雙相增強復合材料，可以預測這將進一步增強MS基復合材料的力學性能。