北科大《MSEA》：3D打印纳米增强高Nb-TiAl合金

来源：材料科学与工程

高温结构材料是航空航天和民用工业的关键材料，大飞机、高推重比发动机、高马赫飞行器的发展对高温结构材料的耐温和减重提出了更高的要求。作为最具潜力的高温结构材料之一，TiAl金属间化合物受到广泛关注和重视。高Nb-TiAl合金拥有更高的高温抗氧化和蠕变性能，但在室温下表现出的本征脆性和难加工性限制了其大规模的应用。在高温合金中加入陶瓷颗粒增强相可以提高其高温强度、抗蠕变性及抗氧化性能。已有报道证明将增强相尺寸减小至纳米级有望在不牺牲塑性的前提下提高显微硬度和室温拉伸强度。

纳米颗粒的均匀分散和致密化是增强和增韧纳米复合材料的关键。但陶瓷颗粒与金属基体之间热膨胀系数和润湿性的差异使得该种复合材料经传统方法制备后存在孔洞、裂纹及界面结合差等现象。另外，纳米颗粒由于尺寸小，极易团聚或者与基体发生不良反应。因此，需要更为先进的制备方法来解决上述问题。

电子束选区熔化技术（EBM）工作于可控的真空和高温环境，具备预热和原位热处理的特点。可避免裂纹产生，改善材料的力学性能，非常适用于高熔点脆性材料的制备。EBM过程产生的熔池小、冷速快，有望减少纳米颗粒的溶解。熔池内部的强对流也有利于纳米颗粒的分散。因此，北京科技大学的硕士研究生高博洋在林均品教授和莱斯特大学Bo Chen教授的指导下，联合北京航空航天大学彭徽副教授提出采用EBM技术制备TiC/Nb-TiAl纳米复合材料，研究了制备过程中纳米颗粒的溶解与析出现象，揭示了工艺参数和增强相对基体凝固相变过程和显微组织演变的影响机制，提出了陶瓷颗粒增强高Nb-TiAl基纳米复合材料的强韧化机理。该研究以题为“Electron beam melted TiC/high Nb–TiAl nanocomposite: Microstructure and mechanical property”发表在Materials Science and Engineering A。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141059

本研究在EBM的预热和熔化步骤中间增加了半熔化过程，极大程度抑制了“吹粉”现象，提高了制备工艺的稳定性。得到的成形态样品内部没有未熔合和孔洞等缺陷，具有高的致密性。对EBM样品顶层和心部显微组织进行观察后发现，在EBM制备过程中，纳米TiC发生溶解，Ti2AlC相通过初始凝固过程中的完全包晶反应和后续热循环过程中的析出作用形成，并以近球形和棒状弥散分布在TiAl基体中。这些碳化物对TiAl基体的凝固和组织退化过程有明显影响，促使TiAl基体由近片层组织向细化的双态组织转变。另外，在面能量密度恒定的条件下，采用低扫描速度和高线间距的样品具有更高的相对密度、Al损和α2相体积分数以及更低的碳化物含量。

图1 EBM成形样品的BSE SEM显微组织图 (a)添加0.6 wt% TiC的样品；(b)添加0.8 wt% TiC的样品；(c)至(e)添加1.2 wt% TiC在不同工艺参数下制备的样品；(f)片层团大小及其体积分数的显微图 (图4: DOI:10.1016/j.msea.2021.141059)

本研究制备1.2 wt.% TiC/高Nb-TiAl纳米复合材料具有良好的室温力学性能，显微硬度可达到433±10 HV0.2，室温抗拉强度为657±155 MPa，断裂韧性为8.1±0.1 MPa√m。压缩屈服强度、断裂强度和断裂应变分别为1085±55 MPa、2698±34 MPa和26.1±1.0%，优于铸造和粉末冶金工艺制备的TiAl基复合材料。通过断口和裂纹扩展情况的观察提出，强度提高是细晶强化、固溶强化和弥散强化的综合作用，裂纹偏转、分叉、桥连、止裂和碳化物拔出是材料增韧的主要原因。

图2 EBM制备TiC/高Nb-TiAl纳米复合材料的制备过程、显微组织演变和力学性能对比汇总示意图 (Graphic Abstract: DOI:10.1016/j.msea.2021.141059)

总的来说，本文提出了采用EBM制备高Nb-TiAl基纳米复合材料的方法，研究了工艺参数、显微组织和力学性能之间的关系，揭示了碳化物在凝固过程中的行为及其对显微组织的影响和强韧化机理，为制备具有良好加工性能和力学性能的颗粒增强TiAl纳米复合材料提供了重要的知识基础。此外，为了提高这种纳米复合材料的拉伸塑性和韧性，需要进一步探索降低混合粉末中氧含量的替代方法。

感谢英国工程与物理科学研究委员会、EPSRC早期事业资助计划EP/R043973/1和第一资助计划EP/P025978/1以及北京科技大学新金属材料国家重点实验室(2019-ZD01)的资助。本研究由国家自然科学基金项目(No. 51831001)和国家创新团队项目资助(No. 51921001)。特别感谢推动这一三方研究合作的宫声凯教授。