LPBF 3D打印GH3536复合材料中TiC颗粒的多尺度演化：粗化机制和层级分布

现有研究存在以下局限：首先，激光粉床熔融（LPBF）成形镍基复合材料过程中增强颗粒的粗化、溶解和再沉淀行为难以量化；其次，缺乏联系熔池动力学与颗粒多尺度演化的理论模型；再者，增强颗粒的多尺度演化与力学性能之间的关系不明。

针对上述挑战，山东大学韩泉泉教授课题组在《极端制造（英文）》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)期刊上发表了题为“Multiscale evolution of TiC particles in GH3536-based composites fabricated via laser powder bed fusion: coarsening mechanisms and hierarchical distribution”的文章。

摘要图

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae3b82

作者

赵鹏，韩泉泉*，张振华，隋仲阳，王丽乔，宋波，朱敏，王协彬，Rossitza Setchi，黄传真

机构

山东大学

图文解析

研究亮点：

（1）研究了不同激光能量密度下TiC颗粒的多尺度演化。

（2）纳米级TiC（<100 nm）的粗化主要受化学传输机制控制。

（3）微米级TiC（3–7 μm）的粗化以碰撞粗化为主。

（4）TiC颗粒表现出四层级分布特征。

图1 GH3536-5TiC中TiC颗粒的定量分析: (a)–(b) 统计区域的BSE图像。(c)–(d) 低能量密度(TL)和高能量密度(TH)试样中的TiC颗粒统计。(e) 不同能量密度下的颗粒粒径和数量统计结果。

图2 TL试样的TEM表征: (a)–(b) 明场(BF)图像和微米级TiC的选取电子衍射(SAED)。(c)–(d) BF图像和纳米级TiC的SAED。(e)–(f) BF图像和析出物的SAED。

图3 熔池行为和TiC颗粒演化模拟结果: (a), (c) TH试样的熔池模拟。(b), (d) TL试样的熔池模拟。

图4 熔池动力学计算中无量纲量与TiC粒径之间的关系: (a) TH中的各无量纲数。(b) TL中的各无量纲数。

图5 TiC颗粒多尺度演化示意图。

总结与展望

LPBF能量密度与颗粒粒径呈正相关，熔池模拟和动力学计算表明：纳米级TiC粗化受化学传输主导，而微米级TiC受控于碰撞机制。复材中的TiC颗粒呈四层级分布：1.添加的不规则微米TiC；2.破碎的亚微米/纳米TiC；3.TiC溶解并析出的(Mo,Ti)C碳化物；4.飞溅的TiC颗粒。低能量密度试样在900°C下优异的强塑协同（UTS = 304 MPa，EL = 42%）主要归因于双峰晶粒和MC碳化物与M23C6碳化物的转化。

论文引用

Zhao P et al. 2026. Multiscale evolution of TiC particles in GH3536-based composites fabricated via laser powder bed fusion: coarsening mechanisms and hierarchical distribution.Int. J. Extrem. Manuf. 8 035004.

作者简介

韩泉泉，山东大学机械工程学院教授、博士研究生导师、山东省优秀青年基金获得者。韩泉泉教授于2017年获得英国卡迪夫大学博士学位，长期从事高温合金激光增材制造的理论、工艺与应用研究。作为负责人承担国家自然科学基金、基础加强计划领域基金课题、山东省优秀青年基金等科研项目10余项，以第一完成人获山东省技术发明二等奖1项（2025）。兼任山东省先进激光增材制造技术与高端装备重点实验室理事长、中国有色金属学会增材制造专委会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员，SCI期刊Manufacturing Letters编委、Materials编委。以第一/通讯作者在International Journal of Extreme Manufacturing、 International Journal of Plasticity、Additive Manufacturing、Composites Part B: Engineering等国际期刊发表SCI学术论文70余篇；授权国家发明专利12件（转让2件）。

第一作者：赵鹏，山东大学博士研究生。研究方向为金属基复合材料的激光增材制造。已在International Journal of Extreme Manufacturing、Composites Part B: Engineering等国际高水平期刊发表相关论文数篇。

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