西安理工大学李树丰教授团队|增强相尺度特征参数对电子束粉末床熔融Ti6Al4V-TiBw复合材料组织与性能的影响

根据3D科学谷的市场观察，非连续增强钛基复合材料（DRTMCs）是一种轻质、高强、耐热的材料，广泛应用于航空航天、高速飞行器及高推比发动机等领。这些复合材料通过不同的制备技术，如原位自生法、粉末冶金法和熔融浸渗法等，可以实现增强体与钛基体的结合增强体的分布设计、构型设计以及后续的变形和热处理对材料的微观组织和力学性能有重要影响。而3D打印技术在制备微小构件、形状复杂构件以及增强相空间分布状态调控方面展现出巨大潜力，这可以成为DRTMCs研究的一个重要方向

近期，西安理工大学李树丰教授团队研究了不同热处理条件下DRTMCs增强体尺寸、分布界面和取向的演变规律，为DRTMCs的微观结构和性能调控奠定了基础，并为高强韧性DRTMCs的研究开发提供实验参考和理论依据。相关论文以题为“Influence of evolution in reinforcement scale characteristic parameters on the microstructure and properties of Ti6Al4V-TiBw composites fabricated by electron beam powder bed fusion”发表在国际知名期刊《Intermetallics》上。本期谷.专栏将对该文的研究背景、最新进展及总结进行分享。

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拓宽微观结构和力学性能的调控窗口

非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)中，TiBw由于其与钛相似的热膨胀系数和较高的比模量，被认为是理想的增强相材料之一。增强相的尺寸、长径比、分布等被统称为增强相尺度特征参数(SCP)，是影响复合材料力学性能的关键因素。在采用铸造或粉末冶金等传统方法制备DRTMCs过程中，由于硼在α-Ti和β-Ti中溶解度极低，TiBw很容易形核长大并粗化，并且难以通过后处理减少TiBw粗化。采用电极感应气雾化制粉（EIGA）制备钛基复合粉末并将之用于选区激光熔化(SLM)和电子束粉末床熔融(EB-PBF)等增材制造技术的原料粉末可以将TiBw细化至纳米级，为调控DRTMCs中TiBw的尺寸提供了一种全新的思路，并为改善DRTMCs的强度和塑性平衡奠定了基础。然而，由于纳米TiBw的高表面能，在热处理过程中增强相会产生粗化，复合材料中有效调控增强相SCP对提高其强度-塑性匹配具有重要的科学意义。

西安理工大学李树丰教授团队在前期工作基础上(Additive Manufacturing,2022,50,102519；Materials Science & Engineering A, 2020,799)采用EIGA制备的球形Ti6AI4V-TiBw复合粉末作为原料，通过电子束粉末床熔融(EB-PBF)制备的TiBw增强相呈纳米网状分布的Ti6AI4V-TiBw复合材料，显著拓宽了复合材料中微观结构和力学性能的调控窗口。为进一步阐明SCP微观结构与力学性能之间的关系，论文在850-1200 ℃的温度范围内对上述制得的复合材料进行热处理，研究了不同热处理条件下增强体尺寸、分布界面和取向的演变规律，为DRTMCs的微观结构和性能调控奠定了基础，并为高强韧性DRTMCs的研究开发提供实验参考和理论依据。

▲图1 Ti6Al4V–TiBw复合粉末的SEM显微照片和TEM照片，(a)典型的球形粉末颗粒和(b)粉末横截面的低倍率图像；(c)粉末横截面的高倍率图像；(d–f)Ti6Al4V–TiBw粉末截面和TiBw相符合的TEM图像

▲图2 Ti6Al4V-TiBw复合材料在不同HT温度下的TEM照片，(a)800° C；(b)为图(a)的放大图像；(c)是区域Diff.1的衍射图谱；(d)950 °C；(e)为图(d)的放大图像；(f)左下角插入的(e)中TiBw/α-Ti界面的HRTEM图像；(g)1000 °C；(h)暗场图像；(i)是区域Diff.2的衍射图

▲图3 不同温度下TiBw的柱切面和柱面TEM图像及其α-Ti/TiBw界面结构，(a)TiBw柱切片HRTEM图像和(b)800 °C时TiBw/α-Ti界面HRTEM图像；(c)800 °C时TiBw/α-Ti界面HRTEM图像；(e-h)900 °C；(i-l)1000 °C

▲图4 增强相SCP-显微组织-力学性能相互作用关系示意图，(a)烧结过程中TiB的分布模式和尺寸演变；(b1 ~ b3)不同高温温度下TiB的分布模式、尺寸演化、界面结构及断裂行为；(c1)热处理后EB-PBF制备Ti6Al4V-TiBw复合材料的综合力学性能；(c2)TiB增强Ti6Al4V-TiBw复合材料的Ashby图

综上所述，本研究以EIGA制备的球形Ti6Al4V-TiBw复合粉末为原料，采用EB-PBF制备了Ti6Al4V-TiBw复合材料，并且在不同温度下对复合材料进行热处理。随着热处理温度的升高，TiBw分布由网络结构转变为均匀分布，尺寸从纳米尺度演变为微米尺度；同时，TiBw和Ti基体的界面由非相干转变为相干，TiBw的断裂模式由微孔聚合模式转变为TiBw断裂模式，复合材料的强度和伸长率呈下降趋势。实验结果表明，在850 ℃热处理后纳米TiBw分布在晶界上并形成准连续网络结构，可以提供良好的增强效果，显著提升了DRTMCs的综合力学性能，为TiBw增强DRTMCs的微观组织与力学性能调控提供了坚实的实验参考和理论基础。

相关论文以题为“Influence of evolution in reinforcement scale characteristic parameters on the microstructure and properties of Ti6Al4V-TiBw composites fabricated by electron beam powder bed fusion”发表在国际知名期刊《Intermetallics》上。西安理工大学博士生潘登（现就职西安赛隆增材技术股份有限公司）为第一作者；西安理工大学李树丰教授为通讯作者；共同作者还包括西安理工大学博士生李少龙、博士生惠东旭、博士生江民靖、博士生纪兴华（现任职于莱芜职业技术学院）、博士生刘磊，陕西航空产业技术研究中心有限责任公司张鹏辉工程师，西安理工大学张鑫副教授、李波博士，西北工业大学陈彪教授，西安赛隆增材技术股份有限公司李运运工程师、向长淑高级工程师和赵培高级工程师。

论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.intermet.2024.108434

作者简介

潘登

潘登，西安赛隆增材技术股份有限公司，地方级领军人才。从事钛基复合材料的增材制造及其组织与性能的研究。以第一作者及共同作者身份在《Additive Manufacturing 》、《Materials Science & Engineering A 》、《Advanced Engineering Materials 》等SCI 、EI 、中文核心发表学术论文20余篇。

李树丰

李树丰，西安理工大学二级教授，博士生导师。主要从事金属基复合粉末的设计、制备及其在增材制造和粉末冶金材料中的基础和应用研究；金属基（钛基、铝基等）复合材料的均质、异质结构强韧化机理；纳米增强相与基体的冶金基础与界面调控，室/高温力学性能的结构功能一体化协同强化等研究。近年来累计申请和授权美国及中国发明专利13项，在PNAS、Composites Part B、IJP、Carbon、Acta Materialia、Additive Manufacturing等期刊发表论文120余篇，被引超3000余次。主持包括国家自然科学基金面上项目、科技部国家重点研发计划项目子课题、科技部国家重点研发计划─“科技助力经济2020”项目、科技部发展中国家杰出青年科学家来华工作计划项目、科技部外国专家项目、陕西省粉末冶金异质结构金属基复合材料重点科技创新团队项目及企业横向课题10余项，实现科研成果转化总价值超百万元。获得包括日本文部科学大臣科学技术奖、日本粉末冶金协会研究进步奖、中国有色金属工业科技进步二等奖在内的奖项多项。

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