![]()
近日，吉林大学智能与精密焊接/增材制造团队陈超、王书鹏老师，提出了基于激光熔覆复合电弧定向能量沉积的新型异质颗粒添加方法与装置，在改善钛合金增材制造过程中不同区域微观组织差异较大的方向上取得重要进展。团队通过将激光熔覆（laser cladding, LC）技术作为微量元素添加的一种手段，并与电弧定向能量沉积（arc-directed energy deposited, DED）的高效优势相结合，实现部件的高效制造和高自由度设计。成果以“Interlayer laser cladding SiC regulates
microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V arc-directed
energy deposited components”为题，发表在《Virtual and Physical Prototyping》上，影响因子10.2。![]()
研究背景
钛基复合材料（TMCs）是一种新型复合材料，在钛合金中添加陶瓷增强相，通过这种增强相可以获得比钛合金更高的比强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性，在航空航天、汽车制造和管道运输领域具有广阔的应用前景。增材制造可以快速、精准的制备复杂构件，但在钛合金增材制造过程中，α-Ti尺寸的不均匀性和热积累形成的粗大的柱状初生β晶粒严重影响了增材制造构件的性能。目前，钛合金和SiC粉末的结合主要制备表面涂层和粉末冶金实现。但表面涂层是一种界面反应，基材和反应层之间的结合强度较低。粉末冶金随着SiC尺寸和含量的增加，界面反应增强，构件的性能将显著降低。此外，使用粉末冶金制备TMCs原材料的成本较高，效率较低，且不适用于大型构件的制备。为了改善钛合金增材制造过程中显微组织的不均匀性，提高钛基复合材料的制备效率，该研究提出在电弧定向能沉积Ti-6Al-4V过程中通过层间激光熔覆SiC颗粒，高效率的制备了TMCs，为调控TMCs的微观结构和力学性能提供了一种新方法。研究内容
基于电弧定向能量沉积（DED）工艺，在Ti-6Al-4V沉积层间通过激光熔覆SiC颗粒（LCS），高效制备了SiC质量分数约为17.6%的TMCs。试验过程中，使用直径为1.2 mm的Ti-6Al-4V焊丝为沉积材料，激光熔覆SiC颗粒尺寸约为76.8±16.7 μm。随后，对沉积完成的试样进行了宏观和微观结构观测、相组成分析、元素含量分布测定、晶体学取向、显微硬度分布测定以及拉伸性能测试，以全面评估改性后材料的微观组织和机械性能。图1 试验过程和取样位置示意图
研究结果和意义
LCS构件微观组织由α-Ti、β-Ti、TiC和Ti5Si3组成，TiC以晶须状析出，Ti5Si3以颗粒状析出。区别于DED试样，LCS构件中初生β晶粒尺寸减小，趋向于等轴晶。α-Ti的晶粒取向趋向随机，长度明显减小，且不同沉积高度的α-Ti的尺寸差异性减小，显著改善了钛合金增材制造过程中，α-Ti尺寸的不均匀性和热积累形成的粗大的柱状初生β晶粒。图2 不同构件的SEM结果
图3 不同构件底部区域EBSD结果
图4 不同构件顶部区域EBSD结果
细晶强化以及陶瓷相的析出使LCS构件的显微硬度提高了约21.1%。但由于SiC含量过高，大量陶瓷相的析出破坏了合金的完整性，在构件内部形成应力集中，拉伸性能平均降低了14%，但整体抗拉强度超过1000 MPa。Fig 5 不同构件的力学性能
该研究通过在电弧定向能量沉积Ti-6Al-4V层间激光熔覆SiC颗粒，制备了SiC质量分数约为17.6%的TMCs。大量陶瓷相的析出抑制了α-Ti和初生β柱状晶的生长，且不同沉积高度的微观组织尺寸差异减小。尽管拉伸性能有所降低，但该研究为复合材料的制备和金属材料的改性提供了借鉴和参考，后续的研究可以通过继续优化陶瓷颗粒含量和尺寸，减少界面产物进而提高力学性能，为复合材料的制备和金属材料的改性提供一种高效的制备方法。吉林大学王书鹏教授为通讯作者，吉林大学副研究员陈超与博士生李文龙为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省教育厅科研项目、吉林省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金资助，以及吉林大学汽车材料教育部重点实验室和吉林大学工程仿生教育部重点实验室的资源支持。Chen, C., Li, W., & Wang, S. (2024). Interlayer
laser cladding SiC regulates microstructure and mechanical properties of
Ti-6Al-4V arc-directed energy deposited components.Virtual and
Physical Prototyping, 19(1).
https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2399183
来源：吉林大学李文龙博士供稿，编辑：张维官，审核：游小秀 加小编进增材制造技术交流群，大咖云集，相互沟通交流学习，小编微信：15801410073（微信同号），非诚勿扰，仅限增材制造相关专业，添加好友时请实名制备注（姓名+单位）。
☞广告合作: 孙哿 13811718902
声明：本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！
