SLM制造超強(qiáng)TiC與Ti復(fù)合材料過(guò)程中的原位轉(zhuǎn)變

供稿人：張曉宇 李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

金屬基復(fù)合材料（MMCs）的目的是理想地將金屬基質(zhì)的韌性、延展性和導(dǎo)電性能與陶瓷（或許多情況下的金屬間化合物）的剛性和耐磨性結(jié)合起來(lái),。絕大多數(shù)情況下,，由于基體與金屬化合物界面結(jié)合較弱、化合物形態(tài)不完善,、界面出現(xiàn)裂紋,、殘余應(yīng)力、位錯(cuò)和由組成相之間的熱失配引起的加工硬化等無(wú)法獲得這種理想的組合,。SLM是一種基于粉末的增材制造（AM）方法,。在這種方法中，復(fù)雜的三維零件是通過(guò)激光掃描（從而熔化和凝固）所需的幾何形狀,，逐層疊加而形成的,。SLM所提供的自由形狀的制造是一種在原位制造MMCs的絕佳機(jī)會(huì)。這使得復(fù)雜幾何形狀的MMCs零件可以使用設(shè)計(jì)良好,、非常精細(xì)和均勻分散的金屬化合物，可以緩解這類(lèi)材料的常見(jiàn)問(wèn)題,。

圖1. 使用最佳參數(shù)的Ti/Mo2C SLM部件的SEM和EBSD圖像. （a）EBSD 顆粒結(jié)構(gòu)的圖像,，在構(gòu)建方向（垂直和向上）上基本拉長(zhǎng)，（b）主要的 (c-e)均勻分布的納米晶須狀碳化物

圖2. 本工藝制造的Ti合金與其他SLM加工的Ti合金復(fù)合材料的硬度和楊氏模量的比較

魯汶大學(xué)機(jī)械工程系Sasan Dadbakhsh等人開(kāi)發(fā)了一種新型原位合金化方法,，能夠在不含鋁和釩的情況下生產(chǎn)出一種超強(qiáng)的新型Ti復(fù)合材料,。該方法選用SLM技術(shù)對(duì)Ti/10.5 wt%的Mo2C粉末混合物進(jìn)行原位合金化和強(qiáng)化處理，從原位活性Ti/10.5 wt%Mo2C粉末混合物中制備出不含潛在細(xì)胞毒性元素（如Al和V）的堅(jiān)固硬質(zhì)Ti合金復(fù)合材料,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，亞穩(wěn)β-Ti基體通過(guò)高縱橫比、50-200nm寬和數(shù)微米長(zhǎng)的TiC晶須均勻增強(qiáng),，這些相的轉(zhuǎn)變由組分的分解,、溶解、擴(kuò)散和重組進(jìn)行控制,。原位生成的TiC顆粒的晶須形態(tài)與TiC<110>方向的定向晶體生長(zhǎng)有關(guān),。新型TiC增強(qiáng)β-鈦合金的硬度超過(guò)500 HV，楊氏模量為126 GPa,，極限抗壓強(qiáng)度為1642 MPa,。

圖3. 分解和擴(kuò)散機(jī)制

該研究發(fā)現(xiàn)有助于開(kāi)發(fā)新的人體植入物替代材料,。長(zhǎng)期以來(lái)，Ti6Al4V材料是制造骨科和牙科植入物最常用的鈦合金,，長(zhǎng)期情況下其有害離子的釋放對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生危害,，本研究借助原位合金化和強(qiáng)化原理將無(wú)任何毒性問(wèn)題的固溶體強(qiáng)化元素如Mo2C與Ti進(jìn)行結(jié)合，有利于提高其在生物醫(yī)學(xué)方面上的應(yīng)用,，解決其遠(yuǎn)期危害性等問(wèn)題,。

參考文獻(xiàn)：
Dadbakhsh, S., Mertens, R., Vanmeensel, K. et al. In situ transformations during SLM of an ultra-strong TiC reinforced Ti composite. Sci Rep 10, 10523 (2020).