北科大《MSEA》：3D打印納米增強(qiáng)高Nb-TiAl合金

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

高溫結(jié)構(gòu)材料是航空航天和民用工業(yè)的關(guān)鍵材料,，大飛機(jī),、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī),、高馬赫飛行器的發(fā)展對(duì)高溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料之一,，TiAl金屬間化合物受到廣泛關(guān)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(yīng)用,。在高溫合金中加入陶瓷顆粒增強(qiáng)相可以提高其高溫強(qiáng)度,、抗蠕變性及抗氧化性能。已有報(bào)道證明將增強(qiáng)相尺寸減小至納米級(jí)有望在不犧牲塑性的前提下提高顯微硬度和室溫拉伸強(qiáng)度,。

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

電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM）工作于可控的真空和高溫環(huán)境,，具備預(yù)熱和原位熱處理的特點(diǎn),。可避免裂紋產(chǎn)生,，改善材料的力學(xué)性能,，非常適用于高熔點(diǎn)脆性材料的制備。EBM過(guò)程產(chǎn)生的熔池小,、冷速快,，有望減少納米顆粒的溶解。熔池內(nèi)部的強(qiáng)對(duì)流也有利于納米顆粒的分散,。因此,，北京科技大學(xué)的碩士研究生高博洋在林均品教授和萊斯特大學(xué)Bo Chen教授的指導(dǎo)下，聯(lián)合北京航空航天大學(xué)彭徽副教授提出采用EBM技術(shù)制備TiC/Nb-TiAl納米復(fù)合材料,，研究了制備過(guò)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(qiáng)相對(duì)基體凝固相變過(guò)程和顯微組織演變的影響機(jī)制，提出了陶瓷顆粒增強(qiáng)高Nb-TiAl基納米復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)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(yù)熱和熔化步驟中間增加了半熔化過(guò)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(nèi)部沒(méi)有未熔合和孔洞等缺陷,，具有高的致密性。對(duì)EBM樣品頂層和心部顯微組織進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn),，在EBM制備過(guò)程中,，納米TiC發(fā)生溶解，Ti2AlC相通過(guò)初始凝固過(guò)程中的完全包晶反應(yīng)和后續(xù)熱循環(huán)過(guò)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(duì)TiAl基體的凝固和組織退化過(guò)程有明顯影響，促使TiAl基體由近片層組織向細(xì)化的雙態(tài)組織轉(zhuǎn)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(duì)密度,、Al損和α2相體積分?jǐn)?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(tuán)大小及其體積分?jǐn)?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(fù)合材料具有良好的室溫力學(xué)性能，顯微硬度可達(dá)到433±10 HV0.2,，室溫抗拉強(qiáng)度為657±155 MPa,，斷裂韌性為8.1±0.1 MPa√m。壓縮屈服強(qiáng)度,、斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)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(fù)合材料,。通過(guò)斷口和裂紋擴(kuò)展情況的觀察提出,，強(qiáng)度提高是細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的綜合作用,，裂紋偏轉(zhuǎn),、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(fù)合材料的制備過(guò)程,、顯微組織演變和力學(xué)性能對(duì)比匯總示意圖 (Graphic Abstract: DOI:10.1016/j.msea.2021.141059)

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

感謝英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì),、EPSRC早期事業(yè)資助計(jì)劃EP/R043973/1和第一資助計(jì)劃EP/P025978/1以及北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2019-ZD01)的資助,。本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 51831001)和國(guó)家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助(No. 51921001)。特別感謝推動(dòng)這一三方研究合作的宮聲凱教授,。