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Refined martensite and enhanced strength of selective laser melted Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V matrix composites by minor nano TiBw addition

微量納米TiBw增強選區激光熔化Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V基復合材料的馬氏體細化與強度提升

作者信息：

Qi An ^a b, Lihua Cui ^a, Delong Gong ^a, Han Cheng ^a, Ying Liu ^a, Rui Zhang ^a, Yang Bao ^a, Lujun Huang ^a b, Lin Geng ^a b

a School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

b State Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures, Harbin, 150001, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100014

文章介紹：

鈦基復合材料（TMCs）憑借其卓越的比強度、比模量、高溫耐久性和耐磨性，在航空航天、汽車工業、軍事裝備、船舶制造以及生物醫學等領域具有廣泛應用[1-8]。其中，原位合成TiB晶須（TiBw）作為TMCs中最常用的增強相之一，不僅具有低密度、高彈性模量和高抗拉強度等特性，其熱膨脹系數與鈦及鈦合金高度匹配[9-12]，且與基體界面結合良好無反應產物[13]，這種高熱力學穩定性顯著提升了復合材料整體性能。

當前，針對航天器頭部殼體、空氣舵等重要結構件復雜構型的制造需求[14-16]，基于近凈成形能力的激光增材制造技術成為理想解決方案。選區激光熔化（SLM/LPBF）采用高能激光束為能量源、粉末床為原材料[17]，其精細光斑與微細粉末的特性賦予該技術極高的成形精度優勢。此外，SLM極快的熔凝過程可促進晶粒細化并原位合成納米級增強相[18]。Jiang等[19]通過SLM制備Ti6Al4V合金及TiC/Ti6Al4V復合材料時發現，制備復合材料需要更高能量密度；Fereiduni等[20]研究證實TMCs的相對密度隨輸入能量密度增加呈先升后降趨勢。Liu等[21]采用SLM制備原位TiBw/Ti6Al4V復合材料時，發現TiBw雖使材料強度顯著提升，但延伸率從7.7%急劇降至2.6%。Li等[22]通過激光熔覆沉積（LMD）制備TiC體積分數0-50%的TiC/Ti6Al4V時觀察到，當增強相（TiC）超過5%時，因TiC不完全溶解及其本征脆性會導致材料力學性能惡化。

當前研究現狀表明，鈦基復合材料（TMCs）的增材制造已開展基礎性探索。由于陶瓷相的引入往往導致材料塑性下降，TMCs在打印過程中極易產生裂紋，因此現有研究多采用塑性優異的純鈦或Ti6Al4V作為基體[23-25]。近α型鈦合金雖具有優良的高溫性能[26]，但因鋁當量過高導致的低延展性使其在SLM過程中易開裂，相關研究較為匱乏。然而，以近α型鈦合金為基體的TMCs在高溫環境航空航天領域更具應用潛力，但需合理設計TiBw增強相的體積分數，過高含量將導致材料延展性急劇降低。

本研究選用近α型Ti6.5Al2Zr1Mo1V合金粉末與亞微米TiB2陶瓷顆粒為原料，通過SLM技術制備TiBw/Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V復合材料。通過工藝參數優化，成功獲得無裂紋、高致密度的TMCs。結果表明：與打印態Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V合金相比，復合材料的抗拉強度與屈服強度均顯著提升。研究系統分析了SLM過程中的微觀組織演變規律及原位納米TiBw的強化機制，對TMCs增材制造的研究與應用具有重要參考價值。

中文摘要：

本研究采用選區激光熔化（SLM）技術，通過添加微量TiB?顆粒原位生成TiB晶須（TiBw）增強相，在保證鈦基復合材料（TMCs）塑性的同時實現強度提升。研究發現：隨著能量密度的降低，打印態TMCs的氣孔缺陷逐漸減少，當能量密度優化至61 J·mm?³時，材料孔隙率可降至0.0005%。為建立孔隙率與SLM工藝參數的關聯性，系統研究了成形參數對TMCs微觀結構的影響，并闡明了復雜熱循環過程中的組織演變規律。納米TiBw能有效抑制分級馬氏體在熱循環過程中的粗化，使馬氏體板條厚度較打印態Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V合金減少約60%。微量TiBw的引入產生了顯著的強化效果，最終材料獲得1432 MPa的抗拉強度和1320 MPa的屈服強度，同時保持4.0%的延伸率。