TiC增強劑對激光熔覆沉積Ti6Al4V-TiC復合材料顯微組織與綜合力學性能的影響

供稿人:李青宇，李滌塵

金屬基復合材料(Metal Matrix Composite)，簡稱(MMC)，與聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/碳復合材料一并組成現(xiàn)代復合材料體系。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，如高比強度、耐溫性、耐磨性等。其要求所添加的增強劑與基體材料應具有良好的化學相容性，使金屬基復合材料在使用過程中其顯微組織與綜合力學性能不會發(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，在成形金屬基復合材料上具有獨特的優(yōu)勢性：一方面，多路送粉裝置可以同時向熔池同時輸入基體材料與增強粉末材料，制備梯度復合金屬基復合材料；另一方面，二者粉末在微小熔池中能夠?qū)崿F(xiàn)充分的冶金結合，最終達到顯微組織與宏觀結構的同步制造。

普渡大學機械工程學院Liu等人[1]將體積分數(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陶瓷材料高強度、高硬度的特性進行耦合以提高材料的耐磨性與綜合機械性能，其實驗結果如圖1所示。隨著TiC體積分數(shù)的增加，樣件的屈服強度從997MPa提高至1310MPa，抗拉強度從1381MPa提高至1636MPa。當TiC的體積分數(shù)為15%時，Ti6Al4V-TiC金屬基復合材料的延展性仍能夠達到14.1%，滿足耐磨材料領域的工程需求。進一步通過在Ti6Al4V合金中添加TiC陶瓷粉末，當TiC的體積分數(shù)達到40%時，Ti6Al4V-TiC金屬基復合材料的HRC硬度達到65，相比Ti6Al4V合金其硬度提高了40%。

(a)抗壓強度

(b) HRC硬度

圖一 Ti6Al4V-TiC金屬基復合材料綜合力學性能
該研究證明激光熔覆沉積制備金屬基復合材料具備可行性，進一步通過控制送粉速率可以制備不同TiC體積含量的Ti6Al4V-TiC梯度復合材料，使金屬基復合材料適應工程中不同外界環(huán)境的需求。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室