北科大《MSEA》：3D打印納米增強高Nb-TiAl合金

來源：材料科學與工程

高溫結構材料是航空航天和民用工業(yè)的關鍵材料，大飛機、高推重比發(fā)動機、高馬赫飛行器的發(fā)展對高溫結構材料的耐溫和減重提出了更高的要求。作為最具潛力的高溫結構材料之一，TiAl金屬間化合物受到廣泛關注和重視。高Nb-TiAl合金擁有更高的高溫抗氧化和蠕變性能，但在室溫下表現(xiàn)出的本征脆性和難加工性限制了其大規(guī)模的應用。在高溫合金中加入陶瓷顆粒增強相可以提高其高溫強度、抗蠕變性及抗氧化性能。已有報道證明將增強相尺寸減小至納米級有望在不犧牲塑性的前提下提高顯微硬度和室溫拉伸強度。

納米顆粒的均勻分散和致密化是增強和增韌納米復合材料的關鍵。但陶瓷顆粒與金屬基體之間熱膨脹系數(shù)和潤濕性的差異使得該種復合材料經(jīng)傳統(tǒng)方法制備后存在孔洞、裂紋及界面結合差等現(xiàn)象。另外，納米顆粒由于尺寸小，極易團聚或者與基體發(fā)生不良反應。因此，需要更為先進的制備方法來解決上述問題。

電子束選區(qū)熔化技術（EBM）工作于可控的真空和高溫環(huán)境，具備預熱和原位熱處理的特點�？杀苊饬鸭y產生，改善材料的力學性能，非常適用于高熔點脆性材料的制備。EBM過程產生的熔池小、冷速快，有望減少納米顆粒的溶解。熔池內部的強對流也有利于納米顆粒的分散。因此，北京科技大學的碩士研究生高博洋在林均品教授和萊斯特大學Bo Chen教授的指導下，聯(lián)合北京航空航天大學彭徽副教授提出采用EBM技術制備TiC/Nb-TiAl納米復合材料，研究了制備過程中納米顆粒的溶解與析出現(xiàn)象，揭示了工藝參數(shù)和增強相對基體凝固相變過程和顯微組織演變的影響機制，提出了陶瓷顆粒增強高Nb-TiAl基納米復合材料的強韌化機理。該研究以題為“Electron beam melted TiC/high Nb–TiAl nanocomposite: Microstructure and mechanical property”發(fā)表在Materials Science and Engineering A。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141059

本研究在EBM的預熱和熔化步驟中間增加了半熔化過程，極大程度抑制了“吹粉”現(xiàn)象，提高了制備工藝的穩(wěn)定性。得到的成形態(tài)樣品內部沒有未熔合和孔洞等缺陷，具有高的致密性。對EBM樣品頂層和心部顯微組織進行觀察后發(fā)現(xiàn)，在EBM制備過程中，納米TiC發(fā)生溶解，Ti2AlC相通過初始凝固過程中的完全包晶反應和后續(xù)熱循環(huán)過程中的析出作用形成，并以近球形和棒狀彌散分布在TiAl基體中。這些碳化物對TiAl基體的凝固和組織退化過程有明顯影響，促使TiAl基體由近片層組織向細化的雙態(tài)組織轉變。另外，在面能量密度恒定的條件下，采用低掃描速度和高線間距的樣品具有更高的相對密度、Al損和α2相體積分數(shù)以及更低的碳化物含量。

圖1 EBM成形樣品的BSE SEM顯微組織圖 (a)添加0.6 wt% TiC的樣品；(b)添加0.8 wt% TiC的樣品；(c)至(e)添加1.2 wt% TiC在不同工藝參數(shù)下制備的樣品；(f)片層團大小及其體積分數(shù)的顯微圖 (圖4: DOI:10.1016/j.msea.2021.141059)

本研究制備1.2 wt.% TiC/高Nb-TiAl納米復合材料具有良好的室溫力學性能，顯微硬度可達到433±10 HV0.2，室溫抗拉強度為657±155 MPa，斷裂韌性為8.1±0.1 MPa√m。壓縮屈服強度、斷裂強度和斷裂應變分別為1085±55 MPa、2698±34 MPa和26.1±1.0%，優(yōu)于鑄造和粉末冶金工藝制備的TiAl基復合材料。通過斷口和裂紋擴展情況的觀察提出，強度提高是細晶強化、固溶強化和彌散強化的綜合作用，裂紋偏轉、分叉、橋連、止裂和碳化物拔出是材料增韌的主要原因。

圖2 EBM制備TiC/高Nb-TiAl納米復合材料的制備過程、顯微組織演變和力學性能對比匯總示意圖 (Graphic Abstract: DOI:10.1016/j.msea.2021.141059)

總的來說，本文提出了采用EBM制備高Nb-TiAl基納米復合材料的方法，研究了工藝參數(shù)、顯微組織和力學性能之間的關系，揭示了碳化物在凝固過程中的行為及其對顯微組織的影響和強韌化機理，為制備具有良好加工性能和力學性能的顆粒增強TiAl納米復合材料提供了重要的知識基礎。此外，為了提高這種納米復合材料的拉伸塑性和韌性，需要進一步探索降低混合粉末中氧含量的替代方法。

感謝英國工程與物理科學研究委員會、EPSRC早期事業(yè)資助計劃EP/R043973/1和第一資助計劃EP/P025978/1以及北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室(2019-ZD01)的資助。本研究由國家自然科學基金項目(No. 51831001)和國家創(chuàng)新團隊項目資助(No. 51921001)。特別感謝推動這一三方研究合作的宮聲凱教授。