TiC增强剂对激光熔覆沉积Ti6Al4V-TiC复合材料显微组织与综合力学性能的影响

供稿人:李青宇，李涤尘

金属基复合材料(Metal Matrix Composite)，简称(MMC)，与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一并组成现代复合材料体系。其被定义为以一种金属或合金为基体，添加一种或多种金属或非金属作为增强相，在不大幅牺牲基体材料本身固有特性的前提下，提高基体材料某种所需特性的性能，如高比强度、耐温性、耐磨性等。其要求所添加的增强剂与基体材料应具有良好的化学相容性，使金属基复合材料在使用过程中其显微组织与综合力学性能不会发生明显地变化。激光熔覆沉积工艺作为一种新型的材料制备方法，在成形金属基复合材料上具有独特的优势性：一方面，多路送粉装置可以同时向熔池同时输入基体材料与增强粉末材料，制备梯度复合金属基复合材料；另一方面，二者粉末在微小熔池中能够实现充分的冶金结合，最终达到显微组织与宏观结构的同步制造。

普渡大学机械工程学院Liu等人[1]将体积分数分别为1%、5%、10%、15%的TiC陶瓷粉末颗粒作为添加剂加入到Ti6Al4V合金中，借助激光熔覆沉积工艺制备金属基复合材料，将Ti6Al4V合金高延展、高耐蚀的特性的与TiC陶瓷材料高强度、高硬度的特性进行耦合以提高材料的耐磨性与综合机械性能，其实验结果如图1所示。随着TiC体积分数的增加，样件的屈服强度从997MPa提高至1310MPa，抗拉强度从1381MPa提高至1636MPa。当TiC的体积分数为15%时，Ti6Al4V-TiC金属基复合材料的延展性仍能够达到14.1%，满足耐磨材料领域的工程需求。进一步通过在Ti6Al4V合金中添加TiC陶瓷粉末，当TiC的体积分数达到40%时，Ti6Al4V-TiC金属基复合材料的HRC硬度达到65，相比Ti6Al4V合金其硬度提高了40%。

(a)抗压强度

(b) HRC硬度

图一 Ti6Al4V-TiC金属基复合材料综合力学性能
该研究证明激光熔覆沉积制备金属基复合材料具备可行性，进一步通过控制送粉速率可以制备不同TiC体积含量的Ti6Al4V-TiC梯度复合材料，使金属基复合材料适应工程中不同外界环境的需求。

参考文献：
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，李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室