西交大卢院士、方学伟团队：钛纤维增强铝基复合材料增材制造技术研究

来源： 增材制造技术前沿

近日，西安交通大学卢秉恒院士、方学伟副教授团队基于定向能量沉积增材制造技术，发明了一种新的金属连续纤维增强复合材料的增材制造技术，首次实现了钛纤维增强铝（TFRA）构件的制造，综合力学性能得到大幅度提升。基于CMT增材技术，通过控制热量输入，可以保持钛纤维丝材不被熔化，实现了连续钛纤维丝材增强铝基复合材料的原位制造。相关研究成果于近期发表，作者团队来自西安交通大学、火箭军工程大学智剑实验室、苏州科技大学和温州大学。

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445

研究发现该技术制备的钛纤维丝材和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10μm，无明显裂纹倾向。与无纤维增强的铝合金构件相比，加入体积分数为10.5%的钛纤维后，钛纤维增强铝构件的屈服强度和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，钛纤维增强铝部件冲击性能得到提高，主要是由于铝基体冲击过程中的裂纹扩展被钛纤维丝材所阻断，因此其冲击功从原来的7.9J增加到18.0J，增加了128%。这项技术为制造连续纤维的高强度金属基复合材料提供了新的技术途经，同时为直接能量沉积增材制造技术的工程化应提供了新的发展方向。

1. 背景介绍
由于铝合金具有重量轻、易于成型和加工的优点，因此被广泛用于航空、船舶和机械制造等领域。提高铝合金材料综合力学性能是材料开发的主题之一，很多学者开展了相关研究，例如在铝合金材料中加入合金微量元素Zr和Er，能显著增加抗拉强度。然而，稀土元素Sc的高成本每0.1%的Sc含量大约增加3美元/公斤的成本，此外还需要热处理进行性能调控，该方法尚未广泛应用。通过在铝基合金中加入纤维或颗粒形成金属基复合材料，也是改善材料力学性能的重要方法。连续纤维增强铝基体可以显著提高材料沿纤维方向的强度，然而其主要制造方式是通过挤压铸造技术，仅能制备简单形状的零件。此外，通过引入强化剂如SiC、TiC、陶瓷颗粒、CNT和碳化物颗粒也是一种有效的方法。然而，研究结果表明，铝合金的硬度和强度可以明显提高，但会导致其塑性和韧性的降低。因此，有必要找到新的方法来同时提高强度和韧性。

增材制造技术具有高度的灵活性，可以为改善材料性能提供新的技术途经。其中，基于冷金属过渡（CMT）技术由于其高沉积率、低热量输入和有限的飞溅而吸引了广大研究学者的兴趣。然而，该技术在制造铝合金构件方面存在强度不足、气孔缺陷等问题。目前通过使用工艺优化和辅助工艺（层间变形）等方法，制备的材料机械强度基本可以满足板材的标准要求，但很难获得更优越的性能。本工作中，通过基于CMT电弧熔丝制造了钛纤维增强铝合金（TFRA）部件，该部件与未增强的沉积体相比，拉伸和冲击性能得到了大幅度提升。团队结合金相显微镜和扫描电子显微镜对铝基体和钛纤维增强体的微观结构以及结合界面进行了观测，深入研究了TFRA部件的强化和增韧机制。

2. 实验内容
如图1所示。西安交通大学方学伟团队在传统的CMT焊枪的末端位置安装了一个送丝辅助装置，该装置跟随焊枪同步移动，能够对Ti64焊丝起到导向定位作用，其中钛纤维丝材跟随机械臂运动，并无增加额外送丝装置。成形工艺采用福尼斯铝合金CMT模式，送丝速度为4.5 m/min，运动速度为1.8m/min。需要注意的是，过高的电弧热输入量会导致钛合金丝材发生熔化，因此需要严格控制电弧的电流和电压（75-80A和10-13V）。由于铝合金熔池的温度相对较低，而且先前凝固的铝合金层的导热系数高，熔池凝固快，因此TFRA构件中的钛合金丝材可以避免熔化。将TFRA和参考部件制备了金相、拉伸和冲击测试样品，取样图如图2所示。

图1 (a)纤维增强增材制造工艺原理图；(b)纤维增强增材制造装置实物图；(c)摆动打印路径示意图；(d)TFRA构件中Al5183和Ti64纤维的X射线测试结果

图2 TFRA取样的示意图。(a) TFRA沉积体；(b) 冲击试样；(c) 金相试样；(d) 拉伸试样；(e) 密度测试试样

3. 组织表征
如图3（a）和（b）所示，由于电弧热源的不同分布，不同区域的Ti64丝材的微观组织发生了变化。SEM和EDS（见图4）结果显示在钛丝的上部、右侧和下部，界面宽度约为2-5μm，在这三个区域的中间位置都可以看到过渡变化趋势，表明在狭窄的界面层之间存在着原子迁移和扩散。

图3 (a)宏观形貌；(b)纤维增强钛合金丝材和铝合金基材的包围形貌；(c)电弧作用示意图

图4 丝材上、中、下位置的界面的SEM和EDS图。(a)、(d)和(g)分别是金属丝材料和铝合金基材的上、右、下侧界面，无裂纹或未熔合等缺陷。图5(b)、(e)和(h)分别是上、中、下区域的部分放大图；图5(c)、(f)和(i)是各区域元素组成的线扫描图

铝合金沉积体的织构在加丝和未加丝前后无明显变化。由于钛合金丝材导热系数低，铝合金平均晶粒尺寸在区域I和区域II分别为21±6μm和23±6μm，这高于铝合金基体的平均晶粒尺寸（14±4μm）。Ti64丝材受电弧热输入影响后由<10-10>丝织构变为了<0001>取向。造成这种状况的主要原因是在CMT制造过程中，由于电弧热输入，钛合金丝材在相变温度以上（约1000℃）经历了较短的热处理过程，发生了相变，组织由等轴组织转变为了片层组织。

图5 EBSD分析结果. a）原始Ti64丝材；（b）Al5183铝合金沉积体；（c）TFRA沉积体的上部（区域I+部分区域II）；（d）TFRA沉积体的下部（区域II）；（e）TFRA沉积体的上部区域I的部分界面区域；（f）TFRA的下部区域II的部分界面区域

图6 铝合金在上部和下部的极图 . (a) 铝合金的上部，(b) 铝合金的下部。

图7 Ti64合金的极图。(a) 原始丝材；(b) 钛合金线中的区域I；(c) 钛合金线中的区域II

4. 力学性能

4.1  拉伸性能
与未增强的铝构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维丝材，TFRA构件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%的数值，这与铝合金构件板的伸长率相当，表明该方法制备的复合材料具有良好的塑性。通过复合材料混合法则和有限元分析的验证，材料性能的提高主要是由于钛纤维丝材的引入。

图8 （a）Ti64、Al5183沉积体和TFRA的拉伸（应力-应变）曲线；（b）5系列铝合金电弧增材制造拉伸性能

在拉伸试验过程中，试样呈现了双屈服过程。在OA阶段，当应变值小于或等于0.15%（图9），钛合金和铝合金都处于双弹性阶段，呈现出线性增长。而在AB阶段，随着应变值的增加，铝合金逐渐开始屈服。这时，钛合金仍处于弹性阶段。当超过B点时，钛纤维丝材和铝合金均发生屈服，随着应变的增加，其转变规律与铝合金的沉积状态相同。

图9 TFRA拉伸测试中工程应力-应变曲线

4.2  冲击性能
示波冲击测试结果显示，Al5183沉积体的载荷-距离关系在冲击载荷达到峰值之前是近似线性的，而TFRA构件在冲击载荷达到峰值之前出现了载荷变化。在冲击试验载荷-距离曲线中，存在三个偏移点，即w1、w2和w3。与非增强型构件相比，TFRA构件的冲击能量得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展被钛纤维所阻挡，在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。

图10 (a) Al5183 沉积体和 TFRA 的示波冲击结果图；(b) TFRA 在冲击过程中丝材作用的示意图

5. 断口形貌
在丝材表面部分区域发现了约为5-10μm的脆性过渡层。靠近Ti64丝材内部位置，断裂模式迅速从脆性断裂变为韧性断裂。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，并呈现出大量韧窝，表明钛纤维丝材在拉伸试验中保持了较好的塑性。

图11  (a) TFRA拉伸样品的断裂形貌；(b) 铝合金基体的断裂形貌；(c) 钛合金丝的边缘过渡区；(d) 钛合金丝纤维区-放射区的形貌；(e) 钛合金丝的纤维区形貌；(f) 钛合金丝放射区的形貌

图12为典型示波冲击测试试样的断口形貌，w1和w2丝在靠近缺口的位置断裂，而w3位于离冲击缺口较远的位置，w3丝材只是弯曲而未发生断裂。冲击实验后的样品没有完全分离，这与图10中显示的结果一致。由于钛纤维丝材的存在，TFRA表现出良好的韧性。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，说明钛纤维丝材表现出良好的塑性。丝材断裂截面上的元素主要是钛。在钛丝的侧表面，有大量的Al均匀地附着在上面，表明在界面上有相当多的Al扩散。然而，从铝基体的组成来看，断口上几乎没有Ti的存在，说明过渡层与钛丝有更好的结合。

图12 TFRA样品的冲击试验结果形貌。(a)冲击样品的断口形貌；(b)断线的断口形貌；(c)相应的成分扫描分布；(d)Ti元素分布；(e)Al元素分布；(f)V元素分布；(g)Mg元素分布

总结
在这项工作中，基于CMT电弧增材制造技术，首次创新的提出了一种连续纤维增强金属基复合材料的方法，并制备出了钛纤维增强铝合金（TFRA）构件，其强度和冲击韧性得到了大幅提高。研究发现通过控制电弧热输入量和采用摆动方式能够减少熔池温度从而避免钛合金丝材的熔化，钛合金线和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，化学成分呈梯度过渡，没有明显的开裂倾向。与非增强铝合金构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维，钛纤维增强铝部件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%，与铝合金构件板的伸长率相一致。此外，冲击功得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展能被钛丝材有效阻挡，因此在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。该技术目前为首次通过增材制造的方式实现了连续金属纤维增强双金属复合材料，能够为未来复合材料的制造提供新的技术思路。

本研究工作得到国家自然科学基金[52205414, 52275374]的资金支持。研究工作同时也得到了中国科协青年人才托举工程项目的资助 [2021QNRC001]，以及火箭军工程大学青年基金[2021QN-B014]的资助。同时研究工作也得到了陕西省重点研发计划[2023-YBGY-361]的资助。