激光3D打印助力高強(qiáng)韌鈦基構(gòu)件制造

來(lái)源：童麗萍 CellPress細(xì)胞科學(xué)

南京航空航天大學(xué)的顧冬冬（Dongdong Gu）教授團(tuán)隊(duì)利用CNTs或石墨烯，通過(guò)選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM)增材制造工藝調(diào)控CNTs與Ti基之間的原位化學(xué)反應(yīng)，借助于激光增材制造的超高溫、超快熔化/凝固速度等特征，使CNTs完全與Ti反應(yīng)，變?nèi)秉c(diǎn)為優(yōu)點(diǎn)，以原位生成的納米TiC增強(qiáng)相強(qiáng)化鈦基體。文章的亮點(diǎn)是突破性地獲得了彌散均勻分布的原位層片狀納米TiC，以及原位TiC與Ti基之間最大的共格排列，從而同時(shí)獲得912MPa的高抗拉強(qiáng)度和16%的高延伸率(1.0 wt %CNTs)，與傳統(tǒng)純Ti相比，“強(qiáng)塑積”綜合提高350%。

制備方法如下。首先，利用低能量球磨獲得涂覆CNTs粉末（圖1B）的純鈦顆粒（圖1A），通過(guò)保持Ti顆粒的球形來(lái)確保粉末的流動(dòng)性。表面CNTs粉末的厚度大概是幾十nm（圖1C-D）。通過(guò)SLM制備CNTs/Ti復(fù)合材料,并以?xún)?yōu)化的“島型掃描”方法（圖1E-F），將SLM加工部件的內(nèi)應(yīng)力降到最低。激光與粉末之間的光滑交融確保本技術(shù)可以制備大于200 mm形狀復(fù)雜的整體渦輪部件 （圖1H）。

▲圖1 含 1.0 wt % CNTs的純鈦粉末的SLM 3D打印

EBSD、SEM與TEM結(jié)果表明，350 W激光可以制備均勻超細(xì)晶Ti組織和細(xì)小彌散均勻分布的層狀增強(qiáng)相。SEAD結(jié)果表明，層狀物為沿[001]方向排列的TiC晶體，說(shuō)明SLM過(guò)程中，CNTs與Ti發(fā)生了原位反應(yīng)，在界面上生成了TiC。不同激光強(qiáng)度處理結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)激光的能量對(duì)于增強(qiáng)相的形貌影響顯著。同時(shí)，SLM導(dǎo)致Ti基體形成馬氏體α’-Ti，導(dǎo)致嚴(yán)重晶格畸變并伴隨大量的晶格應(yīng)力，晶粒細(xì)化和高位錯(cuò)密度（圖3），對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙從而強(qiáng)化基體。另一方面，TiC與Ti基體之間因?yàn)樵�位反�?yīng)的緣故，界面為共格關(guān)系(圖3C,F)可以最小程度減少裂紋的產(chǎn)生�；�于以上特殊結(jié)構(gòu)，激光打印Ti基復(fù)合材料和傳統(tǒng)純鈦相比，表現(xiàn)出強(qiáng)度與延伸率同時(shí)增強(qiáng)的特性，平衡了傳統(tǒng)加工過(guò)程中此兩者難兼顧的難題 (圖4)。

▲圖2 不同能量激光打印Ti基復(fù)合材料的組織表征

▲圖3 原位TiC增強(qiáng)相的生長(zhǎng)機(jī)制與界面結(jié)構(gòu)

▲圖4 激光打印Ti基復(fù)合材料的力學(xué)性能

其主要強(qiáng)化機(jī)理在于增強(qiáng)相與形變孿晶對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用：位錯(cuò)在TiC增強(qiáng)相上堆積（圖5A）、在高位錯(cuò)密度區(qū)域形成的形變孿晶（圖5B-C）以及在TiC增強(qiáng)相附近形成的形變孿晶均說(shuō)明此作用過(guò)程。TiC增強(qiáng)相與形變孿晶的存在如同海邊的防浪堤，通過(guò)本身不規(guī)則的形狀分化、減輕海浪對(duì)陸地的沖刷，保證本體的穩(wěn)固。

▲圖5 拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的激光打印Ti基復(fù)合材料的組織表征