激光3D打印助力高強韌鈦基構件制造

來源：童麗萍 CellPress細胞科學

南京航空航天大學的顧冬冬（Dongdong Gu）教授團隊利用CNTs或石墨烯，通過選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM)增材制造工藝調(diào)控CNTs與Ti基之間的原位化學反應，借助于激光增材制造的超高溫、超快熔化/凝固速度等特征，使CNTs完全與Ti反應，變?nèi)秉c為優(yōu)點，以原位生成的納米TiC增強相強化鈦基體。文章的亮點是突破性地獲得了彌散均勻分布的原位層片狀納米TiC，以及原位TiC與Ti基之間最大的共格排列，從而同時獲得912MPa的高抗拉強度和16%的高延伸率(1.0 wt %CNTs)，與傳統(tǒng)純Ti相比，“強塑積”綜合提高350%。

制備方法如下。首先，利用低能量球磨獲得涂覆CNTs粉末（圖1B）的純鈦顆粒（圖1A），通過保持Ti顆粒的球形來確保粉末的流動性。表面CNTs粉末的厚度大概是幾十nm（圖1C-D）。通過SLM制備CNTs/Ti復合材料,并以優(yōu)化的“島型掃描”方法（圖1E-F），將SLM加工部件的內(nèi)應力降到最低。激光與粉末之間的光滑交融確保本技術可以制備大于200 mm形狀復雜的整體渦輪部件 （圖1H）。

▲圖1 含 1.0 wt % CNTs的純鈦粉末的SLM 3D打印

EBSD、SEM與TEM結果表明，350 W激光可以制備均勻超細晶Ti組織和細小彌散均勻分布的層狀增強相。SEAD結果表明，層狀物為沿[001]方向排列的TiC晶體，說明SLM過程中，CNTs與Ti發(fā)生了原位反應，在界面上生成了TiC。不同激光強度處理結果比較，發(fā)現(xiàn)激光的能量對于增強相的形貌影響顯著。同時，SLM導致Ti基體形成馬氏體α’-Ti，導致嚴重晶格畸變并伴隨大量的晶格應力，晶粒細化和高位錯密度（圖3），對位錯運動產(chǎn)生阻礙從而強化基體。另一方面，TiC與Ti基體之間因為原位反應的緣故，界面為共格關系(圖3C,F)可以最小程度減少裂紋的產(chǎn)生。基于以上特殊結構，激光打印Ti基復合材料和傳統(tǒng)純鈦相比，表現(xiàn)出強度與延伸率同時增強的特性，平衡了傳統(tǒng)加工過程中此兩者難兼顧的難題 (圖4)。

▲圖2 不同能量激光打印Ti基復合材料的組織表征

▲圖3 原位TiC增強相的生長機制與界面結構

▲圖4 激光打印Ti基復合材料的力學性能

其主要強化機理在于增強相與形變孿晶對位錯運動的阻礙作用：位錯在TiC增強相上堆積（圖5A）、在高位錯密度區(qū)域形成的形變孿晶（圖5B-C）以及在TiC增強相附近形成的形變孿晶均說明此作用過程。TiC增強相與形變孿晶的存在如同海邊的防浪堤，通過本身不規(guī)則的形狀分化、減輕海浪對陸地的沖刷，保證本體的穩(wěn)固。

▲圖5 拉伸試驗過程中的激光打印Ti基復合材料的組織表征