SLM制造超強(qiáng)TiC與Ti復(fù)合材料過程中的原位轉(zhuǎn)變

供稿人：張曉宇 李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

金屬基復(fù)合材料（MMCs）的目的是理想地將金屬基質(zhì)的韌性、延展性和導(dǎo)電性能與陶瓷（或許多情況下的金屬間化合物）的剛性和耐磨性結(jié)合起來。絕大多數(shù)情況下，由于基體與金屬化合物界面結(jié)合較弱、化合物形態(tài)不完善、界面出現(xiàn)裂紋、殘余應(yīng)力、位錯(cuò)和由組成相之間的熱失配引起的加工硬化等無法獲得這種理想的組合。SLM是一種基于粉末的增材制造（AM）方法。在這種方法中，復(fù)雜的三維零件是通過激光掃描（從而熔化和凝固）所需的幾何形狀，逐層疊加而形成的。SLM所提供的自由形狀的制造是一種在原位制造MMCs的絕佳機(jī)會(huì)。這使得復(fù)雜幾何形狀的MMCs零件可以使用設(shè)計(jì)良好、非常精細(xì)和均勻分散的金屬化合物，可以緩解這類材料的常見問題。

圖1. 使用最佳參數(shù)的Ti/Mo2C SLM部件的SEM和EBSD圖像. （a）EBSD 顆粒結(jié)構(gòu)的圖像，在構(gòu)建方向（垂直和向上）上基本拉長(zhǎng)，（b）主要的 (c-e)均勻分布的納米晶須狀碳化物

圖2. 本工藝制造的Ti合金與其他SLM加工的Ti合金復(fù)合材料的硬度和楊氏模量的比較

魯汶大學(xué)機(jī)械工程系Sasan Dadbakhsh等人開發(fā)了一種新型原位合金化方法，能夠在不含鋁和釩的情況下生產(chǎn)出一種超強(qiáng)的新型Ti復(fù)合材料。該方法選用SLM技術(shù)對(duì)Ti/10.5 wt%的Mo2C粉末混合物進(jìn)行原位合金化和強(qiáng)化處理，從原位活性Ti/10.5 wt%Mo2C粉末混合物中制備出不含潛在細(xì)胞毒性元素（如Al和V）的堅(jiān)固硬質(zhì)Ti合金復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞穩(wěn)β-Ti基體通過高縱橫比、50-200nm寬和數(shù)微米長(zhǎng)的TiC晶須均勻增強(qiáng)，這些相的轉(zhuǎn)變由組分的分解、溶解、擴(kuò)散和重組進(jìn)行控制。原位生成的TiC顆粒的晶須形態(tài)與TiC<110>方向的定向晶體生長(zhǎng)有關(guān)。新型TiC增強(qiáng)β-鈦合金的硬度超過500 HV，楊氏模量為126 GPa，極限抗壓強(qiáng)度為1642 MPa。

圖3. 分解和擴(kuò)散機(jī)制

該研究發(fā)現(xiàn)有助于開發(fā)新的人體植入物替代材料。長(zhǎng)期以來，Ti6Al4V材料是制造骨科和牙科植入物最常用的鈦合金，長(zhǎng)期情況下其有害離子的釋放對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生危害，本研究借助原位合金化和強(qiáng)化原理將無任何毒性問題的固溶體強(qiáng)化元素如Mo2C與Ti進(jìn)行結(jié)合，有利于提高其在生物醫(yī)學(xué)方面上的應(yīng)用，解決其遠(yuǎn)期危害性等問題。

參考文獻(xiàn)：
Dadbakhsh, S., Mertens, R., Vanmeensel, K. et al. In situ transformations during SLM of an ultra-strong TiC reinforced Ti composite. Sci Rep 10, 10523 (2020).