【学科普及】激光3D打印助力高强韧钛基构件制造

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）。

▲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)。

▲图2 不同能量激光打印Ti基复合材料的组织表征

▲图3 原位TiC增强相的生长机制与界面结构

▲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。

▲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

来源：童丽萍 CellPress细胞科学

（上海市增材制造制造业创新中心）

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