華南理工：激光增材制造優(yōu)異強(qiáng)韌性金屬基復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)1.6GPa！

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料MMCs廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通等領(lǐng)域，因?yàn)樗�可以提高金屬基體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)保持良好的韌性、高溫蠕變性能和疲勞強(qiáng)度。此類材料主要采用鑄造和粉末冶金方法生產(chǎn)，面臨著模具成本高、交貨時(shí)間長、幾何約束等問題。3D打印可以靈活地原位合金化多種類型的粉末，這突出了開發(fā)具有復(fù)雜幾何形狀高性能復(fù)合材料的潛力。

激光粉末床熔融LPBF增材制造的最新進(jìn)展為陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展開辟了一條新途徑。獨(dú)特的逐層工藝方式簡化了復(fù)合材料制造的工藝路線和交貨時(shí)間。采用SLM技術(shù)制造陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料有以下優(yōu)勢：

1.第二相強(qiáng)化和晶粒細(xì)化。陶瓷顆粒具有較低的密度和熱膨脹系數(shù)，以及較高的硬度、模量和強(qiáng)度。添加陶瓷顆�？梢蕴岣呓饘倩�體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。此外，陶瓷（尤其是納米級陶瓷顆粒）可以作為異質(zhì)形核位點(diǎn)，從而阻礙晶粒的生長和細(xì)化凝固晶粒。除此之外，熔池凝固過程中的高冷卻速度有利于形成細(xì)晶粒，可以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和硬度。

2.提高激光吸收率。激光吸收率對SLM形成質(zhì)量有重要影響。在1060nm波長的激光下，陶瓷對激光的吸收率高于金屬。因此，這些陶瓷的加入可以提高金屬基體的激光吸收率，從而有效提高成形效率及零件性能。

3.提高零件的成型質(zhì)量。使用陶瓷顆�？梢愿纳迫鄢胤�(wěn)定性和液相的粘度，從而提高制件機(jī)械性能。同時(shí)，激光加工過程中陶瓷和金屬之間的原位放熱反應(yīng)可以提高熔池的溫度并提高零件的密度。此外，陶瓷顆粒還能阻礙裂紋擴(kuò)展，這對于提高機(jī)械性能至關(guān)重要。

華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院、廣東省科學(xué)院新材料研究所、武漢理工大學(xué)材料合成與加工先進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位的研究人員提出通過加入SiC顆�？梢哉T導(dǎo)C300馬氏體時(shí)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(qiáng)的MS基復(fù)合材料。相關(guān)研究成果以題為 “Duplex strengthening via SiC addition and in-situ precipitation in additively manufactured composite materials” 發(fā)表在復(fù)合材料學(xué)科頂級期刊《Composites Part B: Engineering》。

論文鏈接：doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109820

與以往研究中主要通過陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料不同，本工作研究了SiC增強(qiáng)沉淀硬化鋼以引發(fā)原位沉淀并促進(jìn)雙相強(qiáng)化，通過激光粉末床熔融LPBF技術(shù)制備的馬氏體金屬基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1.6Gpa和 1.2Gpa，相比基體材料分別提高了38%和29%，同時(shí)保持了10.1%的延伸率。

本研究制備的MS-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能及與以往研究的對比

目前采用LPBF技術(shù)加工的陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可分為異位制備和原位制備兩種方法。異位制備是將陶瓷顆粒與金屬粉末直接混合，然后進(jìn)行LPBF打印。由于增強(qiáng)材料和基體之間的物理不匹配，以及在陶瓷顆粒表面形成氧化膜，通過異位方法形成的復(fù)合材料可能會(huì)遇到界面結(jié)合問題。相比之下，原位方法通過兩種或多種原材料之間的化學(xué)反應(yīng)在基體中形成強(qiáng)化相，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱力學(xué)性能和更均勻的強(qiáng)化顆粒分布。此外，原位制備可以避免氧化，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度，并且可以獲得比非原位制造更好的機(jī)械性能。

LPBF制備SiC顆粒增強(qiáng)MS基復(fù)合材料的顯微組織

與現(xiàn)有主要由陶瓷顆粒增強(qiáng)的3D打印陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不同，華南理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究了通過添加陶瓷顆粒的原位觸發(fā)沉淀，這促進(jìn)了金屬基體的雙相強(qiáng)化（陶瓷顆粒+沉淀物）。選擇馬氏體時(shí)效鋼作為基體，因?yàn)槠湓跓崽幚砗罂梢酝ㄟ^金屬間化合物實(shí)現(xiàn)沉淀硬化。研究人員推測，這些沉淀物可以通過添加陶瓷顆粒后在LPBF過程中原位異相成核。碳化硅因其高模量和硬度、較低的密度和良好的激光吸收而被選為增強(qiáng)陶瓷。SiC和Fe在1060nm波長激光下的激光吸收率分別為0.78和0.64，這表明根據(jù)復(fù)合粉末中吸收率的混合規(guī)則，添加SiC可以提高馬氏體時(shí)效鋼的激光吸收率。此外，SiC與鐵具有良好的潤濕性，可以抑制復(fù)合過程中棘手的界面鍵合問題。團(tuán)隊(duì)人員對SiC的含量對致密化的影響行為、微觀結(jié)構(gòu)演變、沉淀動(dòng)力學(xué)、機(jī)械性能和底層強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了研究。

TEM組織圖譜

研究結(jié)論
1. 復(fù)合材料的激光成形性隨著SiC添加量的增加而降低。12% 的SiC添加量時(shí)樣件的致密度超過99.4%。當(dāng)添加量為15 vol%或更高時(shí)，會(huì)觀察到明顯的缺陷（如大孔和毫米大小的裂紋）。此外，輕質(zhì)SiC 的添加降低了復(fù)合材料的密度，從而提高了比強(qiáng)度。

2. SiC的添加對顯微組織有顯著影響。添加SiC后，微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)從胞狀結(jié)構(gòu)變?yōu)闃渲�狀結(jié)構(gòu)。在沒有后熱處理的情況下觀察到大量納米沉淀物，由于SiC顆粒和位錯(cuò)可以作為優(yōu)先成核位點(diǎn)，因此可以通過異相成核原位形成。沉淀動(dòng)力學(xué)分析表明，添加SiC提高了成核速率。SiC顆�？赡芘c基質(zhì)和原位形成的化合物顆粒發(fā)生部分反應(yīng)。殘余應(yīng)力隨碳化硅含量的增加而增加，碳化硅促進(jìn)了奧氏體相的形成。

3. 新制備的復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度隨著SiC添加量的增加而增加。12% 的SiC添加量時(shí)樣件的硬度達(dá)到438 HV0.1，同時(shí)達(dá)到了約1.2 GPa的最大屈服強(qiáng)度，相比基體馬氏體鋼相比增加了約29%。此外，3%SiC添加量時(shí)樣件實(shí)現(xiàn)了最高的抗拉強(qiáng)度1.6GPa，增加了約38%。

總體來說，華南理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)所采用的與現(xiàn)有主要由陶瓷顆粒增強(qiáng)3D打印陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不同的制備方法，使材料的最高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別大幅度提高。潛在的強(qiáng)化機(jī)制包括析出物和SiC顆粒雙相第二相強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化。