高強度高延展性金屬復合材料的激光增材制造

來源： 材料人

當堅硬的非金屬顆粒融入到金屬和合金中時，所產(chǎn)生的材料被稱為金屬基體復合材料。高強度的金屬復合材料在拉伸變形時容易在小應變下斷裂，這種強度-韌性的矛盾是這些材料在目前行業(yè)中使用的內(nèi)在阻礙。復合材料中增強材料的晶間分布是導致延展性喪失的關鍵原因之一。晶界（GBs）是變形過程中的應力集中源，而由于巨大的界面能量，鋼筋呈現(xiàn)出沿GB分布的趨勢。這種晶間分布加劇了GB處已經(jīng)很強的應力集中，導致早期裂紋的產(chǎn)生和復合材料的失效。從理論上講，對于傳統(tǒng)的金屬基復合材料的制造方法（如鑄造），顆粒的分布受凝固界面和顆粒之間的相互作用的制約。當凝固前線緩慢移動時，顆粒很容易被固/液界面推開，最后被夾在枝晶（或晶粒）邊界。

成果掠影
在此，上海交通大學李贊教授聯(lián)合新加坡國立大學閆文韜教授使用選擇性激光熔化（SLM）在金屬復合材料中引入晶內(nèi)分散結構來實現(xiàn)將GBs和強化物引起的應力集中解耦。結果表明，激光增材制造過程中的快速凝固使增強顆粒能夠自發(fā)吞噬在鋁晶粒內(nèi)部，這有助于消除晶界和增強材料引起的應力集中。與傳統(tǒng)方法獲得的復合材料相比，增材制造的TiB2-Al復合材料的抗拉強度提高了30%，延展性提高了近三倍。實驗結果表明，顆粒的晶內(nèi)分散不僅抑制了裂紋形核，而且促進了應變硬化，從而顯著提高了機械性能。相關研究成果以“Enhanced strength and ductility of metal composites with intragranularly dispersed reinforcements by additive manufacturing”為題發(fā)表在國際知名期刊Materials Research Letters上。

核心創(chuàng)新點
通過SLM在金屬復合材料中引入晶內(nèi)分散結構來實現(xiàn)將GBs和強化物引起的應力集中解耦，得到的TiB2-Al復合材料的抗拉強度提高了30%，延展性提高了近三倍。

數(shù)據(jù)概覽

圖1  SLM對金屬復合材料中顆粒吞噬的理論分析 © 2022 The Authors

（a）粒子運動的示意圖。

（b）凈作用力與凝固界面速度VSL的函數(shù)關系圖。

（c）臨界速度VC與顆粒半徑（R）的關系。

（d）VSL計算的建模結果。

（e）模擬的3D溫度梯度曲線。

圖2  TiB2-Al復合材料的微觀結構 © 2022 The Authors

（a）EBSD圖像顯示了TiB2顆粒（綠色）在SLM復合材料中的分布。

（b）粉末冶金法（PM）制備的TiB2（綠色）-Al復合材料的EBSD圖像。

（c）冷軋后PM復合材料的EBSD圖像。

（d）直方圖顯示了通過EBSD測量的TiB2顆粒的尺寸分布及其在晶粒內(nèi)部或晶界中的位置。

（e）原子探針層析技術（APT）切片顯示了TiB2-Al界面上的原子分布。

圖3  SLM TiB2-Al復合材料的反極圖 © 2022 The Authors

平行于晶內(nèi)和晶間分布的TiB2顆粒的[0001]方向的Al基體取向的反極圖。

圖4  機械性能和變形機制 © 2022 The Authors

（a）SLM復合材料和PM TiB2-Al復合材料的代表性拉伸應力-應變曲線。

（b）應變硬化率與真實應變函數(shù)的關系，插圖為TEM圖像。

（c-d）PM和SLM復合材料的斷裂表面的SEM圖像。

（e）具有不同應變（拉伸應變：0%、1.5%和3.0%）的SLM復合材料的非原位EBSD圖像。


成果啟示
本研究設計并開發(fā)了一種新的復合微觀結構，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的強化和應力分散。該設計策略依賴于顆粒在金屬晶粒內(nèi)的均勻分散，這可以消除GBs和增強材料引起的應力集中。由此產(chǎn)生的微觀結構促進了位錯增殖和額外的背應力硬化，從而提高了復合材料的拉伸強度和延展性。顆粒的自發(fā)吞噬是通過快速固化實現(xiàn)的，這是基于激光的增材制造的固有特征。因此，本研究的方法可以轉移到其他金屬復合材料系統(tǒng)和常見的增材制造技術中。

原文詳情：Enhanced strength and ductility of metal composites with intragranularly dispersed reinforcements by additive manufacturing (Materials Research Letters 2023, 11, 360-366)

本文由大兵哥供稿。