高强度高延展性金属复合材料的激光增材制造

来源： 材料人

当坚硬的非金属颗粒融入到金属和合金中时，所产生的材料被称为金属基体复合材料。高强度的金属复合材料在拉伸变形时容易在小应变下断裂，这种强度-韧性的矛盾是这些材料在目前行业中使用的内在阻碍。复合材料中增强材料的晶间分布是导致延展性丧失的关键原因之一。晶界（GBs）是变形过程中的应力集中源，而由于巨大的界面能量，钢筋呈现出沿GB分布的趋势。这种晶间分布加剧了GB处已经很强的应力集中，导致早期裂纹的产生和复合材料的失效。从理论上讲，对于传统的金属基复合材料的制造方法（如铸造），颗粒的分布受凝固界面和颗粒之间的相互作用的制约。当凝固前线缓慢移动时，颗粒很容易被固/液界面推开，最后被夹在枝晶（或晶粒）边界。

成果掠影
在此，上海交通大学李赞教授联合新加坡国立大学闫文韬教授使用选择性激光熔化（SLM）在金属复合材料中引入晶内分散结构来实现将GBs和强化物引起的应力集中解耦。结果表明，激光增材制造过程中的快速凝固使增强颗粒能够自发吞噬在铝晶粒内部，这有助于消除晶界和增强材料引起的应力集中。与传统方法获得的复合材料相比，增材制造的TiB2-Al复合材料的抗拉强度提高了30%，延展性提高了近三倍。实验结果表明，颗粒的晶内分散不仅抑制了裂纹形核，而且促进了应变硬化，从而显着提高了机械性能。相关研究成果以“Enhanced strength and ductility of metal composites with intragranularly dispersed reinforcements by additive manufacturing”为题发表在国际知名期刊Materials Research Letters上。

核心创新点
通过SLM在金属复合材料中引入晶内分散结构来实现将GBs和强化物引起的应力集中解耦，得到的TiB2-Al复合材料的抗拉强度提高了30%，延展性提高了近三倍。

数据概览

图1  SLM对金属复合材料中颗粒吞噬的理论分析 © 2022 The Authors

（a）粒子运动的示意图。

（b）净作用力与凝固界面速度VSL的函数关系图。

（c）临界速度VC与颗粒半径（R）的关系。

（d）VSL计算的建模结果。

（e）模拟的3D温度梯度曲线。

图2  TiB2-Al复合材料的微观结构 © 2022 The Authors

（a）EBSD图像显示了TiB2颗粒（绿色）在SLM复合材料中的分布。

（b）粉末冶金法（PM）制备的TiB2（绿色）-Al复合材料的EBSD图像。

（c）冷轧后PM复合材料的EBSD图像。

（d）直方图显示了通过EBSD测量的TiB2颗粒的尺寸分布及其在晶粒内部或晶界中的位置。

（e）原子探针层析技术（APT）切片显示了TiB2-Al界面上的原子分布。

图3  SLM TiB2-Al复合材料的反极图 © 2022 The Authors

平行于晶内和晶间分布的TiB2颗粒的[0001]方向的Al基体取向的反极图。

图4  机械性能和变形机制 © 2022 The Authors

（a）SLM复合材料和PM TiB2-Al复合材料的代表性拉伸应力-应变曲线。

（b）应变硬化率与真实应变函数的关系，插图为TEM图像。

（c-d）PM和SLM复合材料的断裂表面的SEM图像。

（e）具有不同应变（拉伸应变：0%、1.5%和3.0%）的SLM复合材料的非原位EBSD图像。


成果启示
本研究设计并开发了一种新的复合微观结构，能够实现显著的强化和应力分散。该设计策略依赖于颗粒在金属晶粒内的均匀分散，这可以消除GBs和增强材料引起的应力集中。由此产生的微观结构促进了位错增殖和额外的背应力硬化，从而提高了复合材料的拉伸强度和延展性。颗粒的自发吞噬是通过快速固化实现的，这是基于激光的增材制造的固有特征。因此，本研究的方法可以转移到其他金属复合材料系统和常见的增材制造技术中。

原文详情：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。