仿生多層陶瓷/金屬結(jié)構(gòu)的多材料增材制造

供稿人:周航 魯中良 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　


激光增材制造部件的性能提高依賴于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和定制化設(shè)計，自然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可以為設(shè)計和制造提供靈感。此研究以鱗角腹足蝸牛的外殼結(jié)構(gòu)為靈感，在硬層與軟層界面處產(chǎn)生裂紋擴展撓度和能量耗散，使層狀殼結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，如圖1所示。硬陶瓷層與柔順的金屬層以周期性的硬-軟-硬層狀形式結(jié)合，采用激光粉末床熔化(LPBF)技術(shù)設(shè)計并制作了TiB2/Ti6Al4V多材料層狀結(jié)構(gòu)。該方法有望為其他陶瓷/金屬復(fù)合材料體系的制造和強化提供科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)。

圖1鱗角腹足蝸牛的外殼及設(shè)計的多材料層狀結(jié)構(gòu)

圖2 XRD衍射、SEM形貌及界面處EDS圖譜

如圖2a所示，TiB2峰強度較低，表明在TiB2/Ti6Al4V層狀結(jié)構(gòu)中保留了少量未溶解的TiB2相。TiB2與Ti發(fā)生了原位反應(yīng)形成了中間相TiB。由于沿[010]方向的B-B共價鍵較強，TiB在[010]方向上的生長速度要快于其他平面方向，形成了原位TiB晶須（圖2c）。如圖2b所示，界面處Ti、Al和V的原子分數(shù)呈平滑下降趨勢，而B元素的原子分數(shù)呈平滑上升趨勢，表明激光熔接陶瓷層時存在明顯的穿透現(xiàn)象。從線掃描結(jié)果可推知，在LPBF過程中熔化的TiB2與液態(tài)鈦合金之間發(fā)生了強元素擴散和界面反應(yīng)。

圖3 層狀結(jié)構(gòu)TEM表征

選取參數(shù)為400 W, 600 mm/s時成形試樣的三個典型致密區(qū)進行TEM測試，結(jié)果如圖3所示。圖3a中晶粒中沒有檢測出V元素和Al元素，結(jié)合選區(qū)電子衍射(SAED)結(jié)果，確定晶粒為TiB晶體。界面處TiB晶須的直徑從亞微米級減小到納米級（60-80 nm），這是因為與陶瓷層相比，界面處的溫度梯度更高。這些亞微米和納米級TiB晶須促進了TiB2陶瓷和Ti6Al4V合金之間的逐漸過渡，有助于層狀陶瓷/金屬復(fù)合材料形成良好的界面結(jié)合，避免了層狀結(jié)構(gòu)的分層和Ti基體與TiB2界面結(jié)合不良。TiB納米晶須在界面處的這種釘扎效應(yīng)和梯度組織有利于提高層狀TiB2/Ti6Al4V多材料構(gòu)件的界面結(jié)合和抗彎強度。

如圖4所示，不同區(qū)域的顯微硬度從TiB2 (682.3 HV0.2)層逐漸變化到Ti6Al4V(403.6 HV0.2)層。沿層狀多材料構(gòu)件的構(gòu)建方向（依次為Ti6Al4V、TiB2和Ti6Al4V），顯微硬度先升高后逐漸降低，這與鱗角腹足蝸牛的外殼硬度變化趨勢相似。界面處平滑的硬度轉(zhuǎn)變和原子遷移有利于殘余應(yīng)力的釋放和不同材料層的結(jié)合，提高綜合力學(xué)性能。

圖4 層狀結(jié)構(gòu)不同區(qū)域顯微硬度

圖5 不同參數(shù)成形試樣的拉伸曲線及最高強度試樣的截面

如圖5a所示，在400 W，600mm/s下成形試樣的抗折強度最高（2033.2 MPa），表明TiB2/Ti6Al4V復(fù)合材料具有良好的界面結(jié)合性能。從圖5b中試樣截面可以看出，主裂紋從試樣底部開始，并向上擴展。由于脆性陶瓷層內(nèi)部的剪切作用，次生裂紋沿TiB2層橫向擴展。隨著次生裂紋的橫向偏轉(zhuǎn)，在TiB晶須生長的方向上，有多個短裂紋沿構(gòu)造方向延伸，這些短裂紋被認為是三次裂紋。因此，LPBF制備的層狀TiB2/Ti6Al4V結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋擴展是通過裂紋偏轉(zhuǎn)和多級裂紋實現(xiàn)的，延長了總擴展路徑，提高了裂紋擴展能量，最終增強了仿生層狀TiB2/Ti6Al4V復(fù)合材料。
參考文獻：

    1.王瑞，顧德，林克，等。 仿生層狀陶瓷/金屬結(jié)構(gòu)的多材料增材制造：形成機制和力學(xué)性能[J]. 國際機床與制造雜志, 2022, 175 https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2022.103872