仿生多層陶瓷/金屬結構的多材料增材制造

供稿人:周航 魯中良 供稿單位：機械制造系統工程國家重點實驗室　


激光增材制造部件的性能提高依賴于結構創(chuàng)新和定制化設計，自然優(yōu)化的結構可以為設計和制造提供靈感。此研究以鱗角腹足蝸牛的外殼結構為靈感，在硬層與軟層界面處產生裂紋擴展撓度和能量耗散，使層狀殼結構具有良好的力學性能，如圖1所示。硬陶瓷層與柔順的金屬層以周期性的硬-軟-硬層狀形式結合，采用激光粉末床熔化(LPBF)技術設計并制作了TiB2/Ti6Al4V多材料層狀結構。該方法有望為其他陶瓷/金屬復合材料體系的制造和強化提供科學技術指導。

圖1鱗角腹足蝸牛的外殼及設計的多材料層狀結構

圖2 XRD衍射、SEM形貌及界面處EDS圖譜

如圖2a所示，TiB2峰強度較低，表明在TiB2/Ti6Al4V層狀結構中保留了少量未溶解的TiB2相。TiB2與Ti發(fā)生了原位反應形成了中間相TiB。由于沿[010]方向的B-B共價鍵較強，TiB在[010]方向上的生長速度要快于其他平面方向，形成了原位TiB晶須（圖2c）。如圖2b所示，界面處Ti、Al和V的原子分數呈平滑下降趨勢，而B元素的原子分數呈平滑上升趨勢，表明激光熔接陶瓷層時存在明顯的穿透現象。從線掃描結果可推知，在LPBF過程中熔化的TiB2與液態(tài)鈦合金之間發(fā)生了強元素擴散和界面反應。

圖3 層狀結構TEM表征

選取參數為400 W, 600 mm/s時成形試樣的三個典型致密區(qū)進行TEM測試，結果如圖3所示。圖3a中晶粒中沒有檢測出V元素和Al元素，結合選區(qū)電子衍射(SAED)結果，確定晶粒為TiB晶體。界面處TiB晶須的直徑從亞微米級減小到納米級（60-80 nm），這是因為與陶瓷層相比，界面處的溫度梯度更高。這些亞微米和納米級TiB晶須促進了TiB2陶瓷和Ti6Al4V合金之間的逐漸過渡，有助于層狀陶瓷/金屬復合材料形成良好的界面結合，避免了層狀結構的分層和Ti基體與TiB2界面結合不良。TiB納米晶須在界面處的這種釘扎效應和梯度組織有利于提高層狀TiB2/Ti6Al4V多材料構件的界面結合和抗彎強度。

如圖4所示，不同區(qū)域的顯微硬度從TiB2 (682.3 HV0.2)層逐漸變化到Ti6Al4V(403.6 HV0.2)層。沿層狀多材料構件的構建方向（依次為Ti6Al4V、TiB2和Ti6Al4V），顯微硬度先升高后逐漸降低，這與鱗角腹足蝸牛的外殼硬度變化趨勢相似。界面處平滑的硬度轉變和原子遷移有利于殘余應力的釋放和不同材料層的結合，提高綜合力學性能。

圖4 層狀結構不同區(qū)域顯微硬度

圖5 不同參數成形試樣的拉伸曲線及最高強度試樣的截面

如圖5a所示，在400 W，600mm/s下成形試樣的抗折強度最高（2033.2 MPa），表明TiB2/Ti6Al4V復合材料具有良好的界面結合性能。從圖5b中試樣截面可以看出，主裂紋從試樣底部開始，并向上擴展。由于脆性陶瓷層內部的剪切作用，次生裂紋沿TiB2層橫向擴展。隨著次生裂紋的橫向偏轉，在TiB晶須生長的方向上，有多個短裂紋沿構造方向延伸，這些短裂紋被認為是三次裂紋。因此，LPBF制備的層狀TiB2/Ti6Al4V結構內部裂紋擴展是通過裂紋偏轉和多級裂紋實現的，延長了總擴展路徑，提高了裂紋擴展能量，最終增強了仿生層狀TiB2/Ti6Al4V復合材料。
參考文獻：

    1.王瑞，顧德，林克，等。 仿生層狀陶瓷/金屬結構的多材料增材制造：形成機制和力學性能[J]. 國際機床與制造雜志, 2022, 175 https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2022.103872