西交大盧院士,、方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)：鈦纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增材制造技術(shù)研究

來源： 增材制造技術(shù)前沿

近日,，西安交通大學(xué)盧秉恒院士,、方學(xué)偉副教授團(tuán)隊(duì)基于定向能量沉積增材制造技術(shù),，發(fā)明了一種新的金屬連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造技術(shù),，首次實(shí)現(xiàn)了鈦纖維增強(qiáng)鋁（TFRA）構(gòu)件的制造，綜合力學(xué)性能得到大幅度提升,�,；�于CMT增材技術(shù)，通過控制熱量輸入,，可以保持鈦纖維絲材不被熔化,，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鈦纖維絲材增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的原位制造。相關(guān)研究成果于近期發(fā)表,，作者團(tuán)隊(duì)來自西安交通大學(xué),、火箭軍工程大學(xué)智劍實(shí)驗(yàn)室、蘇州科技大學(xué)和溫州大學(xué),。

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445

研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)制備的鈦纖維絲材和鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10μm,，無明顯裂紋傾向。與無纖維增強(qiáng)的鋁合金構(gòu)件相比,，加入體積分?jǐn)?shù)為10.5%的鈦纖維后,，鈦纖維增強(qiáng)鋁構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了124%和33%。同時(shí),，鈦纖維增強(qiáng)鋁部件沖擊性能得到提高,，主要是由于鋁基體沖擊過程中的裂紋擴(kuò)展被鈦纖維絲材所阻斷,，因此其沖擊功從原來的7.9J增加到18.0J，增加了128%,。這項(xiàng)技術(shù)為制造連續(xù)纖維的高強(qiáng)度金屬基復(fù)合材料提供了新的技術(shù)途經(jīng),，同時(shí)為直接能量沉積增材制造技術(shù)的工程化應(yīng)提供了新的發(fā)展方向。

1. 背景介紹
由于鋁合金具有重量輕,、易于成型和加工的優(yōu)點(diǎn),，因此被廣泛用于航空、船舶和機(jī)械制造等領(lǐng)域,。提高鋁合金材料綜合力學(xué)性能是材料開發(fā)的主題之一,，很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，例如在鋁合金材料中加入合金微量元素Zr和Er,，能顯著增加抗拉強(qiáng)度,。然而,，稀土元素Sc的高成本每0.1%的Sc含量大約增加3美元/公斤的成本,，此外還需要熱處理進(jìn)行性能調(diào)控，該方法尚未廣泛應(yīng)用,。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復(fù)合材料,，也是改善材料力學(xué)性能的重要方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強(qiáng)度,，然而其主要制造方式是通過擠壓鑄造技術(shù),，僅能制備簡單形狀的零件。此外,，通過引入強(qiáng)化劑如SiC,、TiC、陶瓷顆粒,、CNT和碳化物顆粒也是一種有效的方法,。然而，研究結(jié)果表明,，鋁合金的硬度和強(qiáng)度可以明顯提高,，但會(huì)導(dǎo)致其塑性和韌性的降低。因此,，有必要找到新的方法來同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性,。

增材制造技術(shù)具有高度的靈活性，可以為改善材料性能提供新的技術(shù)途經(jīng),。其中,，基于冷金屬過渡（CMT）技術(shù)由于其高沉積率、低熱量輸入和有限的飛濺而吸引了廣大研究學(xué)者的興趣,。然而,，該技術(shù)在制造鋁合金構(gòu)件方面存在強(qiáng)度不足,、氣孔缺陷等問題。目前通過使用工藝優(yōu)化和輔助工藝（層間變形）等方法,，制備的材料機(jī)械強(qiáng)度基本可以滿足板材的標(biāo)準(zhǔn)要求,，但很難獲得更優(yōu)越的性能。本工作中,，通過基于CMT電弧熔絲制造了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金（TFRA）部件,，該部件與未增強(qiáng)的沉積體相比，拉伸和沖擊性能得到了大幅度提升,。團(tuán)隊(duì)結(jié)合金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)鋁基體和鈦纖維增強(qiáng)體的微觀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合界面進(jìn)行了觀測,，深入研究了TFRA部件的強(qiáng)化和增韌機(jī)制。

2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
如圖1所示,。西安交通大學(xué)方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的CMT焊槍的末端位置安裝了一個(gè)送絲輔助裝置,，該裝置跟隨焊槍同步移動(dòng)，能夠?qū)�Ti64焊絲起到導(dǎo)向定位作用,，其中鈦纖維絲材跟隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),，并無增加額外送絲裝置。成形工藝采用福尼斯鋁合金CMT模式,，送絲速度為4.5 m/min,，運(yùn)動(dòng)速度為1.8m/min。需要注意的是,，過高的電弧熱輸入量會(huì)導(dǎo)致鈦合金絲材發(fā)生熔化,，因此需要嚴(yán)格控制電弧的電流和電壓（75-80A和10-13V）。由于鋁合金熔池的溫度相對(duì)較低,，而且先前凝固的鋁合金層的導(dǎo)熱系數(shù)高,，熔池凝固快，因此TFRA構(gòu)件中的鈦合金絲材可以避免熔化,。將TFRA和參考部件制備了金相,、拉伸和沖擊測試樣品，取樣圖如圖2所示,。

圖1 (a)纖維增強(qiáng)增材制造工藝原理圖,；(b)纖維增強(qiáng)增材制造裝置實(shí)物圖；(c)擺動(dòng)打印路徑示意圖,；(d)TFRA構(gòu)件中Al5183和Ti64纖維的X射線測試結(jié)果

圖2 TFRA取樣的示意圖,。(a) TFRA沉積體；(b) 沖擊試樣,；(c) 金相試樣,；(d) 拉伸試樣；(e) 密度測試試樣

3. 組織表征
如圖3（a）和（b）所示，由于電弧熱源的不同分布,，不同區(qū)域的Ti64絲材的微觀組織發(fā)生了變化,。SEM和EDS（見圖4）結(jié)果顯示在鈦絲的上部、右側(cè)和下部,，界面寬度約為2-5μm,，在這三個(gè)區(qū)域的中間位置都可以看到過渡變化趨勢，表明在狹窄的界面層之間存在著原子遷移和擴(kuò)散,。

圖3 (a)宏觀形貌,；(b)纖維增強(qiáng)鈦合金絲材和鋁合金基材的包圍形貌；(c)電弧作用示意圖

圖4 絲材上,、中,、下位置的界面的SEM和EDS圖。(a),、(d)和(g)分別是金屬絲材料和鋁合金基材的上,、右、下側(cè)界面,，無裂紋或未熔合等缺陷,。圖5(b)、(e)和(h)分別是上,、中,、下區(qū)域的部分放大圖；圖5(c),、(f)和(i)是各區(qū)域元素組成的線掃描圖

鋁合金沉積體的織構(gòu)在加絲和未加絲前后無明顯變化。由于鈦合金絲材導(dǎo)熱系數(shù)低,，鋁合金平均晶粒尺寸在區(qū)域I和區(qū)域II分別為21±6μm和23±6μm,，這高于鋁合金基體的平均晶粒尺寸（14±4μm）。Ti64絲材受電弧熱輸入影響后由<10-10>絲織構(gòu)變?yōu)榱?0001>取向,。造成這種狀況的主要原因是在CMT制造過程中,，由于電弧熱輸入，鈦合金絲材在相變溫度以上（約1000℃）經(jīng)歷了較短的熱處理過程,，發(fā)生了相變,，組織由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱似瑢咏M織。

圖5 EBSD分析結(jié)果. a）原始Ti64絲材,；（b）Al5183鋁合金沉積體,；（c）TFRA沉積體的上部（區(qū)域I+部分區(qū)域II）；（d）TFRA沉積體的下部（區(qū)域II）,；（e）TFRA沉積體的上部區(qū)域I的部分界面區(qū)域,；（f）TFRA的下部區(qū)域II的部分界面區(qū)域

圖6 鋁合金在上部和下部的極圖 . (a) 鋁合金的上部，(b) 鋁合金的下部。

圖7 Ti64合金的極圖,。(a) 原始絲材,；(b) 鈦合金線中的區(qū)域I；(c) 鈦合金線中的區(qū)域II

4. 力學(xué)性能

4.1  拉伸性能
與未增強(qiáng)的鋁構(gòu)件相比,，通過添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維絲材,，TFRA構(gòu)件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了124%,、33%和25%,。同時(shí)，伸長率保持在20%的數(shù)值,，這與鋁合金構(gòu)件板的伸長率相當(dāng),，表明該方法制備的復(fù)合材料具有良好的塑性。通過復(fù)合材料混合法則和有限元分析的驗(yàn)證,，材料性能的提高主要是由于鈦纖維絲材的引入,。

圖8 （a）Ti64、Al5183沉積體和TFRA的拉伸（應(yīng)力-應(yīng)變）曲線,；（b）5系列鋁合金電弧增材制造拉伸性能

在拉伸試驗(yàn)過程中,，試樣呈現(xiàn)了雙屈服過程。在OA階段,，當(dāng)應(yīng)變值小于或等于0.15%（圖9）,，鈦合金和鋁合金都處于雙彈性階段，呈現(xiàn)出線性增長,。而在AB階段,，隨著應(yīng)變值的增加，鋁合金逐漸開始屈服,。這時(shí),，鈦合金仍處于彈性階段。當(dāng)超過B點(diǎn)時(shí),，鈦纖維絲材和鋁合金均發(fā)生屈服,，隨著應(yīng)變的增加，其轉(zhuǎn)變規(guī)律與鋁合金的沉積狀態(tài)相同,。

圖9 TFRA拉伸測試中工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.2  沖擊性能
示波沖擊測試結(jié)果顯示,，Al5183沉積體的載荷-距離關(guān)系在沖擊載荷達(dá)到峰值之前是近似線性的，而TFRA構(gòu)件在沖擊載荷達(dá)到峰值之前出現(xiàn)了載荷變化,。在沖擊試驗(yàn)載荷-距離曲線中,，存在三個(gè)偏移點(diǎn)，即w1,、w2和w3,。與非增強(qiáng)型構(gòu)件相比，TFRA構(gòu)件的沖擊能量得到了極大的提高（128%）。這是因?yàn)殇X基體的裂紋擴(kuò)展被鈦纖維所阻擋,，在沖擊過程中吸收了大量的沖擊能量,。

圖10 (a) Al5183 沉積體和 TFRA 的示波沖擊結(jié)果圖；(b) TFRA 在沖擊過程中絲材作用的示意圖

5. 斷口形貌
在絲材表面部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了約為5-10μm的脆性過渡層,�,？拷黅i64絲材內(nèi)部位置，斷裂模式迅速從脆性斷裂變?yōu)轫g性斷裂,。纖維在受到較大的拉伸應(yīng)力后發(fā)生斷裂,，斷裂處出現(xiàn)了明顯的縮頸過程，并呈現(xiàn)出大量韌窩,，表明鈦纖維絲材在拉伸試驗(yàn)中保持了較好的塑性,。

圖11  (a) TFRA拉伸樣品的斷裂形貌；(b) 鋁合金基體的斷裂形貌,；(c) 鈦合金絲的邊緣過渡區(qū),；(d) 鈦合金絲纖維區(qū)-放射區(qū)的形貌；(e) 鈦合金絲的纖維區(qū)形貌,；(f) 鈦合金絲放射區(qū)的形貌

圖12為典型示波沖擊測試試樣的斷口形貌,，w1和w2絲在靠近缺口的位置斷裂，而w3位于離沖擊缺口較遠(yuǎn)的位置,，w3絲材只是彎曲而未發(fā)生斷裂,。沖擊實(shí)驗(yàn)后的樣品沒有完全分離，這與圖10中顯示的結(jié)果一致,。由于鈦纖維絲材的存在,，TFRA表現(xiàn)出良好的韌性。纖維在受到較大的拉伸應(yīng)力后發(fā)生斷裂,，斷裂處出現(xiàn)了明顯的縮頸過程,，說明鈦纖維絲材表現(xiàn)出良好的塑性。絲材斷裂截面上的元素主要是鈦,。在鈦絲的側(cè)表面，有大量的Al均勻地附著在上面,，表明在界面上有相當(dāng)多的Al擴(kuò)散,。然而，從鋁基體的組成來看,，斷口上幾乎沒有Ti的存在,，說明過渡層與鈦絲有更好的結(jié)合。

圖12 TFRA樣品的沖擊試驗(yàn)結(jié)果形貌,。(a)沖擊樣品的斷口形貌,；(b)斷線的斷口形貌；(c)相應(yīng)的成分掃描分布；(d)Ti元素分布,；(e)Al元素分布,；(f)V元素分布；(g)Mg元素分布

總結(jié)
在這項(xiàng)工作中,，基于CMT電弧增材制造技術(shù),，首次創(chuàng)新的提出了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，并制備出了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金（TFRA）構(gòu)件,，其強(qiáng)度和沖擊韌性得到了大幅提高,。研究發(fā)現(xiàn)通過控制電弧熱輸入量和采用擺動(dòng)方式能夠減少熔池溫度從而避免鈦合金絲材的熔化，鈦合金線和鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米,，化學(xué)成分呈梯度過渡,，沒有明顯的開裂傾向。與非增強(qiáng)鋁合金構(gòu)件相比,，通過添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維,，鈦纖維增強(qiáng)鋁部件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了124%,、33%和25%,。同時(shí)，伸長率保持在20%,，與鋁合金構(gòu)件板的伸長率相一致,。此外，沖擊功得到了極大的提高（128%）,。這是因?yàn)殇X基體的裂紋擴(kuò)展能被鈦絲材有效阻擋,，因此在沖擊過程中吸收了大量的沖擊能量。該技術(shù)目前為首次通過增材制造的方式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)金屬纖維增強(qiáng)雙金屬復(fù)合材料,，能夠?yàn)槲磥韽?fù)合材料的制造提供新的技術(shù)思路,。

本研究工作得到國家自然科學(xué)基金[52205414, 52275374]的資金支持。研究工作同時(shí)也得到了中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的資助 [2021QNRC001],，以及火箭軍工程大學(xué)青年基金[2021QN-B014]的資助,。同時(shí)研究工作也得到了陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[2023-YBGY-361]的資助。