高強(qiáng)度高延展性金屬復(fù)合材料的激光增材制造

來源： 材料人

當(dāng)堅(jiān)硬的非金屬顆粒融入到金屬和合金中時(shí)，所產(chǎn)生的材料被稱為金屬基體復(fù)合材料。高強(qiáng)度的金屬復(fù)合材料在拉伸變形時(shí)容易在小應(yīng)變下斷裂，這種強(qiáng)度-韌性的矛盾是這些材料在目前行業(yè)中使用的內(nèi)在阻礙。復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的晶間分布是導(dǎo)致延展性喪失的關(guān)鍵原因之一。晶界（GBs）是變形過程中的應(yīng)力集中源，而由于巨大的界面能量，鋼筋呈現(xiàn)出沿GB分布的趨勢。這種晶間分布加劇了GB處已經(jīng)很強(qiáng)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致早期裂紋的產(chǎn)生和復(fù)合材料的失效。從理論上講，對(duì)于傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料的制造方法（如鑄造），顆粒的分布受凝固界面和顆粒之間的相互作用的制約。當(dāng)凝固前線緩慢移動(dòng)時(shí)，顆粒很容易被固/液界面推開，最后被夾在枝晶（或晶粒）邊界。

成果掠影
在此，上海交通大學(xué)李贊教授聯(lián)合新加坡國立大學(xué)閆文韜教授使用選擇性激光熔化（SLM）在金屬復(fù)合材料中引入晶內(nèi)分散結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)將GBs和強(qiáng)化物引起的應(yīng)力集中解耦。結(jié)果表明，激光增材制造過程中的快速凝固使增強(qiáng)顆粒能夠自發(fā)吞噬在鋁晶粒內(nèi)部，這有助于消除晶界和增強(qiáng)材料引起的應(yīng)力集中。與傳統(tǒng)方法獲得的復(fù)合材料相比，增材制造的TiB2-Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了30%，延展性提高了近三倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒的晶內(nèi)分散不僅抑制了裂紋形核，而且促進(jìn)了應(yīng)變硬化，從而顯著提高了機(jī)械性能。相關(guān)研究成果以“Enhanced strength and ductility of metal composites with intragranularly dispersed reinforcements by additive manufacturing”為題發(fā)表在國際知名期刊Materials Research Letters上。

核心創(chuàng)新點(diǎn)
通過SLM在金屬復(fù)合材料中引入晶內(nèi)分散結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)將GBs和強(qiáng)化物引起的應(yīng)力集中解耦，得到的TiB2-Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了30%，延展性提高了近三倍。

數(shù)據(jù)概覽

圖1  SLM對(duì)金屬復(fù)合材料中顆粒吞噬的理論分析 © 2022 The Authors

（a）粒子運(yùn)動(dòng)的示意圖。

（b）凈作用力與凝固界面速度VSL的函數(shù)關(guān)系圖。

（c）臨界速度VC與顆粒半徑（R）的關(guān)系。

（d）VSL計(jì)算的建模結(jié)果。

（e）模擬的3D溫度梯度曲線。

圖2  TiB2-Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu) © 2022 The Authors

（a）EBSD圖像顯示了TiB2顆粒（綠色）在SLM復(fù)合材料中的分布。

（b）粉末冶金法（PM）制備的TiB2（綠色）-Al復(fù)合材料的EBSD圖像。

（c）冷軋后PM復(fù)合材料的EBSD圖像。

（d）直方圖顯示了通過EBSD測量的TiB2顆粒的尺寸分布及其在晶粒內(nèi)部或晶界中的位置。

（e）原子探針層析技術(shù)（APT）切片顯示了TiB2-Al界面上的原子分布。

圖3  SLM TiB2-Al復(fù)合材料的反極圖 © 2022 The Authors

平行于晶內(nèi)和晶間分布的TiB2顆粒的[0001]方向的Al基體取向的反極圖。

圖4  機(jī)械性能和變形機(jī)制 © 2022 The Authors

（a）SLM復(fù)合材料和PM TiB2-Al復(fù)合材料的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

（b）應(yīng)變硬化率與真實(shí)應(yīng)變函數(shù)的關(guān)系，插圖為TEM圖像。

（c-d）PM和SLM復(fù)合材料的斷裂表面的SEM圖像。

（e）具有不同應(yīng)變（拉伸應(yīng)變：0%、1.5%和3.0%）的SLM復(fù)合材料的非原位EBSD圖像。


成果啟示
本研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種新的復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的強(qiáng)化和應(yīng)力分散。該設(shè)計(jì)策略依賴于顆粒在金屬晶粒內(nèi)的均勻分散，這可以消除GBs和增強(qiáng)材料引起的應(yīng)力集中。由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了位錯(cuò)增殖和額外的背應(yīng)力硬化，從而提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和延展性。顆粒的自發(fā)吞噬是通過快速固化實(shí)現(xiàn)的，這是基于激光的增材制造的固有特征。因此，本研究的方法可以轉(zhuǎn)移到其他金屬復(fù)合材料系統(tǒng)和常見的增材制造技術(shù)中。

原文詳情：Enhanced strength and ductility of metal composites with intragranularly dispersed reinforcements by additive manufacturing (Materials Research Letters 2023, 11, 360-366)

本文由大兵哥供稿。