激光3D打印助力高强韧钛基构件制造

3D打印快讯
2020
10/13
11:38
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来源:童丽萍 CellPress细胞科学

南京航空航天大学的顾冬冬(Dongdong Gu)教授团队利用CNTs或石墨烯,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)增材制造工艺调控CNTs与Ti基之间的原位化学反应,借助于激光增材制造的超高温、超快熔化/凝固速度等特征,使CNTs完全与Ti反应,变缺点为优点,以原位生成的纳米TiC增强相强化钛基体。文章的亮点是突破性地获得了弥散均匀分布的原位层片状纳米TiC,以及原位TiC与Ti基之间最大的共格排列,从而同时获得912MPa的高抗拉强度和16%的高延伸率(1.0 wt %CNTs),与传统纯Ti相比,“强塑积”综合提高350%。

制备方法如下。首先,利用低能量球磨获得涂覆CNTs粉末(图1B)的纯钛颗粒(图1A),通过保持Ti颗粒的球形来确保粉末的流动性。表面CNTs粉末的厚度大概是几十nm(图1C-D)。通过SLM制备CNTs/Ti复合材料,并以优化的“岛型扫描”方法(图1E-F),将SLM加工部件的内应力降到最低。激光与粉末之间的光滑交融确保本技术可以制备大于200 mm形状复杂的整体涡轮部件 (图1H)。

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▲图1 含 1.0 wt % CNTs的纯钛粉末的SLM 3D打印

EBSD、SEM与TEM结果表明,350 W激光可以制备均匀超细晶Ti组织和细小弥散均匀分布的层状增强相。SEAD结果表明,层状物为沿[001]方向排列的TiC晶体,说明SLM过程中,CNTs与Ti发生了原位反应,在界面上生成了TiC。不同激光强度处理结果比较,发现激光的能量对于增强相的形貌影响显著。同时,SLM导致Ti基体形成马氏体α’-Ti,导致严重晶格畸变并伴随大量的晶格应力,晶粒细化和高位错密度(图3),对位错运动产生阻碍从而强化基体。另一方面,TiC与Ti基体之间因为原位反应的缘故,界面为共格关系(图3C,F)可以最小程度减少裂纹的产生。基于以上特殊结构,激光打印Ti基复合材料和传统纯钛相比,表现出强度与延伸率同时增强的特性,平衡了传统加工过程中此两者难兼顾的难题 (图4)。

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▲图2 不同能量激光打印Ti基复合材料的组织表征
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▲图3 原位TiC增强相的生长机制与界面结构
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▲图4 激光打印Ti基复合材料的力学性能

其主要强化机理在于增强相与形变孪晶对位错运动的阻碍作用:位错在TiC增强相上堆积(图5A)、在高位错密度区域形成的形变孪晶(图5B-C)以及在TiC增强相附近形成的形变孪晶均说明此作用过程。TiC增强相与形变孪晶的存在如同海边的防浪堤,通过本身不规则的形状分化、减轻海浪对陆地的冲刷,保证本体的稳固。

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▲图5 拉伸试验过程中的激光打印Ti基复合材料的组织表征


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