TiC增強(qiáng)劑對激光熔覆沉積Ti6Al4V-TiC復(fù)合材料顯微組織與綜合力學(xué)性能的影響

供稿人:李青宇，李滌塵

金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composite)，簡稱(MMC)，與聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料一并組成現(xiàn)代復(fù)合材料體系。其被定義為以一種金屬或合金為基體，添加一種或多種金屬或非金屬作為增強(qiáng)相，在不大幅犧牲基體材料本身固有特性的前提下，提高基體材料某種所需特性的性能，如高比強(qiáng)度、耐溫性、耐磨性等。其要求所添加的增強(qiáng)劑與基體材料應(yīng)具有良好的化學(xué)相容性，使金屬基復(fù)合材料在使用過程中其顯微組織與綜合力學(xué)性能不會發(fā)生明顯地變化。激光熔覆沉積工藝作為一種新型的材料制備方法，在成形金屬基復(fù)合材料上具有獨(dú)特的優(yōu)勢性：一方面，多路送粉裝置可以同時(shí)向熔池同時(shí)輸入基體材料與增強(qiáng)粉末材料，制備梯度復(fù)合金屬基復(fù)合材料；另一方面，二者粉末在微小熔池中能夠?qū)崿F(xiàn)充分的冶金結(jié)合，最終達(dá)到顯微組織與宏觀結(jié)構(gòu)的同步制造。

普渡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院Liu等人[1]將體積分?jǐn)?shù)分別為1%、5%、10%、15%的TiC陶瓷粉末顆粒作為添加劑加入到Ti6Al4V合金中，借助激光熔覆沉積工藝制備金屬基復(fù)合材料，將Ti6Al4V合金高延展、高耐蝕的特性的與TiC陶瓷材料高強(qiáng)度、高硬度的特性進(jìn)行耦合以提高材料的耐磨性與綜合機(jī)械性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。隨著TiC體積分?jǐn)?shù)的增加，樣件的屈服強(qiáng)度從997MPa提高至1310MPa，抗拉強(qiáng)度從1381MPa提高至1636MPa。當(dāng)TiC的體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，Ti6Al4V-TiC金屬基復(fù)合材料的延展性仍能夠達(dá)到14.1%，滿足耐磨材料領(lǐng)域的工程需求。進(jìn)一步通過在Ti6Al4V合金中添加TiC陶瓷粉末，當(dāng)TiC的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，Ti6Al4V-TiC金屬基復(fù)合材料的HRC硬度達(dá)到65，相比Ti6Al4V合金其硬度提高了40%。

(a)抗壓強(qiáng)度

(b) HRC硬度

圖一 Ti6Al4V-TiC金屬基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能
該研究證明激光熔覆沉積制備金屬基復(fù)合材料具備可行性，進(jìn)一步通過控制送粉速率可以制備不同TiC體積含量的Ti6Al4V-TiC梯度復(fù)合材料，使金屬基復(fù)合材料適應(yīng)工程中不同外界環(huán)境的需求。

參考文獻(xiàn)：
Liu S, Shin Y C. The influences of melting degree of TiC reinforcements on microstructure and mechanical properties of laser direct deposited Ti6Al4V-TiC composites[J]. Materials & Design, 2017, 136:185-195.

供稿人:李青宇，李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室