【复材资讯】电弧增材制造纳米TiC颗粒增强铝基复合材料组织与性

时间：2024/08/23　　点击量：

　　在金属材料中引入第二相粒子是提高金属材料力学性能的重要手段之一。本文提出一种Al6061铝箔包裹TiC和Al6061的混合粉末形成一种特殊填料焊丝的TiC/Al6061复合材料电弧增材制造的新方法，并分别研究质量分数为1%、2%和3%的TiC颗粒对制备的铝基复合材料组织与性能的影响。结果表明，TiC质量分数为3%的复合材料与基体材料相比，试样的平均晶粒尺寸由45.5μm减小到25.3μm，细化了44.4%；抗拉强度和屈服强度由148.5MPa和118.0MPa提升到178.1MPa和157.3MPa，分别提升了19.9%和33.3%；平均显微硬度由50.5HV增加至65.2HV，提升了29.1%。理论结合及试验分析表明，TiC的载荷传递强化和晶粒细化以及Orowan强化机制，是材料力学性能提高的主要原因。

　　铝合金密度低、塑性好，具有良好的导热性、导电性和耐腐性[1]，是航空航天[2–3]、交通运输[4–6]、海洋船舶[7]及其他装备制造行业[8–9]的关键基础材料。尤其在航空航天领域，飞机的铝合金使用量达到70%[10]。随着装备性能的不断提升，传统铝合金已经达到了强度极限，很难再有突破性的发展，因此对高强度铝合金的需求更加迫切。铝基复合材料（Aluminum based matrix composites，AMCs）可以将铝合金基体和硬质增强颗粒结合[11]，使得铝合金的强韧性进一步提高。

　　目前，铝合金制件的成形制造主要以工艺流程复杂且依赖模具的铸造、锻造、挤压等传统技术为主。随着装备性能的发展，传统技术不仅难以满足复杂结构整体成形的要求，更难以满足随装备设计变化所需快速响应的短流程制造需求。增材制造技术是根据三维模型直接成形的生产制造技术，可以快速近净成形复杂构件。近年来，增材制造技术[12–15]开始广泛应用于金属构件的制造凯发在线官方网站，采用材料逐渐累加的方式直接、短流程[16]地制造零件，使各种复杂结构的轻量化设计到整体制造成为可能。目前，金属增材制造根据热源的不同，可以分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造（Wire arc additive manufacturing，WAAM）。电弧增材制造相比于其他两种金属增材制造技术，具有设备简单、能量利用率高、对环境要求低和可制造大型零件[13，17]的优势，开始广泛应用在铝合金材料以及铝基复合材料制备领域。Cong等[18]采用超声波脉冲变极性TIG制备了2024铝合金薄壁结构，发现超声频率脉冲电弧可以提高试样的垂直拉伸性能，改善性能的各向同性。此外，Fu等[19]使用电弧增材制造技术制备了TiC/AA7075复合材料，结果表明，TiC纳米颗粒的加入提高了铝合金的动态力学性能。Sun等[20]使用直接送粉法和送丝复合电弧增材制造了添加B4C、SiC、TiC和WC/W2C颗粒的铝基复合材料，结果表明，陶瓷颗粒的加入可以提高复合材料的硬度和耐磨性。但是，直接制作复合焊丝成本过高，且制作焊丝需要将增强粉末加入熔融状态的金属，持续的高温会破坏增强颗粒的结构；直接送粉法会影响电弧稳定性黄金分割点，影响成形质量，且粉末材料的利用率较低。

　　本文提出了一种普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的TiC/Al6061复合材料电弧增材制造的新方法。基于TiC颗粒合适的比重[20]、润湿性好[21]和强金属性[22]等优点黄滤色层，通过使用Al6061铝箔包裹TiC和Al6061混合粉末制备特殊填料焊丝的方法，快速、方便地将TiC颗粒引入基体材料，并开发了相关的送填料焊丝设备，制备了TiC质量分数不同的TiC/Al6061复合材料，详细对比分析不同质量分数的TiC对TiC/Al6061复合材料微观组织黄金三角法、物相成分和力学性能的影响规律和机理。

　　本文使用电弧增材TiC/Al6061复合材料制备装置及成型过程如图1所示。焊接电源为逆变式交直流脉冲氩弧焊机，运动控制装置为三轴数控平台，采用普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的方法制备TiC/Al6061复合材料。

　　本文采用的是普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的方法，其中特殊填料焊丝采用Al6061铝箔包裹TiC和Al6061的混合粉末。因此，要制备不同TiC质量分数的TiC/Al6061复合材料，需要计算TiC颗粒的质量分数，即

　　式中，CTiC为TiC颗粒的质量分数，mTiC、m焊丝逆变式氩弧焊机、m铝粉和m铝箔分别为TiC粉末、焊丝、铝粉和铝箔的质量。

　　第2步，据式（1）和（2），以及复合材料中TiC的质量分数，计算需要加入的TiC颗粒的质量，然后量取TiC颗粒。本文所使用的TiC颗粒尺寸为800nm。将量取的TiC颗粒和Al6061粉末混合，制备TiC和Al6061混合增强粉末黄金焦段凯发在线官方网站，制备流程如图2所示。

　　具体流程如下：先将TiC分散在无水乙醇溶液中（TiC和无水乙醇的质量比为1∶200），经过12h的超声振荡后使其充分分散和均匀混合；然后将一定量的铝粉加入TiC–无水乙醇悬浊液中，经过12h的超声振荡后，在加热磁力搅拌下处理至混合溶液为糊状，再经过80℃的线h，得到混合粉末；为了进一步增加TiC的分散均匀性，最后使用真空球磨对混合粉末进行处理。球料质量比为3∶1，转速为250r/min，采用分段球磨法球磨3h。3种不同TiC质量分数的TiC和Al6061混合增强粉末的SEM照片如图3所示。

　　第3步，制作填料焊丝。将相应重量的TiC和Al6061混合粉末均匀地包裹在铝箔之中。在填料焊丝制作完成后对其进行压紧操作排除内部空气，使其变为矩形截面的填料焊丝（图4）。为防止制作过程中填料焊丝表面粘附杂质，使用无水乙醇擦拭表面并在恒温烘干箱内烘干。

　　本文所用的焊接电流为180~160A，随着焊接层数的增加电流逐渐降低；焊接速度4mm/s、送焊丝速度240mm/min、送自制焊丝速度240mm/min。

　　通过图1的装置制备如图5所示的堆积试样，每种组分分别堆积3个试样，并在图5所示的位置取样分别制备拉伸试样、金相组织、显微硬度和物相观测试样，其中每个堆积试样切取3个拉伸试样。根据GB/T228.1—2010切取拉伸试样，拉伸试样的尺寸如图6所示。

　　为了探究不同质量分数的TiC颗粒对电弧增材制造TiC/Al6061复合材料试样析出相的影响凯发在线官方网站，利用X射线衍射仪对试样进行物相分析，分析结果如图7所示。可以看出，随着TiC颗粒的加入黄金规则，检测到了TiC的衍射峰，随着TiC质量分数的逐渐增加，TiC的衍射峰逐渐变强，可知TiC颗粒未被完全分解，并且作为异质形核使晶粒细化。从图7（b）、（c）和（d）中可以看出，随着TiC颗粒的逐渐增多，Si的衍射峰变弱。如图7（c）所示，当TiC的质量分数为2%时，Si的衍射峰强度最低，这是因为在电弧增材制造铝基复合材料过程中Si发生了固溶[23]，同时Si元素和部分TiC在界面上发生化学反应，生成Ti–Si化合物[24–25]，使得Si的衍射峰强度减弱。此外，随着TiC颗粒的加入凯发在线官方网站，物相中检测到了Al4C3，这是部分被分解的TiC产生了游离的C，C和Al基体发生界面反应，生成的硬脆相[26–28]。

　　图8为未添加TiC颗粒和添加TiC颗粒的样品沿沉积方向的截面微观组织和晶粒尺寸统计图。晶粒尺寸使用复旦大学开发的NanoMeasurer软件进行统计。通过对比可以发现，未添加TiC颗粒的试样中，晶粒主要为柱状晶粒和粗等轴晶。其中，柱状晶有明显的方向性；添加TiC颗粒后，晶粒由柱状晶和粗等轴晶向细等轴晶转变，晶粒的平均尺寸减小；当TiC质量分数为3%时，和未添加TiC颗粒相比，晶粒全部转变为细等轴晶，晶粒尺寸由45.5μm细化至25.3μm，均晶粒尺寸缩小了44.4%。这是因为TiC颗粒可以充当非自发形核的核心[29]，在凝固过程中，形成异质形核使晶粒细化。随着TiC质量分数的增加，提供给铝熔体的异质形核点增加，晶粒细化越明显。此外，随着TiC质量分数的逐渐增加，晶粒的生长方向从沿堆积方向生长逐渐变为无序生长。这表明，TiC颗粒的加入使得晶粒生长方向区趋于随机。

　　图9为添加不同质量分数TiC颗粒的SEM图。可以看出，随着TiC质量分数的增加，越来越多的TiC颗粒分布于晶界。这些TiC颗粒在晶粒长大的过程中被推到凝固前沿，并阻碍了晶粒的生长[30]。

　　图10为TiC质量分数3%的TiC/Al6061复合材料试样EDS各元素总谱图。可以看出，EDS图谱中检测到了Ti和C，证明了晶界处的颗粒为TiCx相[31]，根据2.2节的物相分析，推测其可能为TiC。

　　图11为不同TiC质量分数的TiC/Al6061复合材料试样的拉伸性能，可以看出，随着TiC质量分数的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐增加，延伸率则呈现下降趋势。当TiC质量分数增加到3%时，试样的抗拉强度和屈服强度达到最大值，分别为178.1MPa和157.3MPa，相比沉积态分别提升19.9%和33.3%，延伸率降低了13.3%。说明TiC颗粒的加入提高了复合材料的强度，但是降低了塑性。

　　图12（a）为不同TiC质量分数的TiC/Al6061复合材料试样的显微硬度分布图，图12（b）为添加不同质量分数TiC颗的TiC/Al6061复合材料试样平均硬度分布图。从图12（b）中可以看出，随着TiC质量分数的增加，试样的硬度呈现逐渐上升的趋势。当TiC质量分数3%时黄金螺旋线，试样的硬度最高，分布区间为60HV~70HV，平均显微硬度增加至65.2HV，相比沉积态，平均硬度提升了29.1%。

　　图13为不同TiC质量分数的TiC/Al6061复合材料试样的拉伸断口形貌。可以看出，随着TiC质量分数的增加，韧窝的大小趋于稳定。但韧窝变浅且数量增多，表明得出的复合材料的塑性随TiC质量分数的增加而降低[23，32]，可以看出，断裂方式都表现为有韧窝的塑性断裂。

　　由上文分析可知，TiC颗粒的添加使得复合材料强度提升，主要原因：（1）TiC颗粒的添加使复合材料晶粒尺寸减小，根据Hall-Petch理论[33]，晶粒的细化也可以提高强度和硬度；（2）根据Orowan机制[34]，外部载荷作用下，第二相的TiC颗粒阻碍运动中的位错继续运动，从而提高复合材料的强度；（3）TiC颗粒的强度比Al基体的高，在受到外部载荷时，TiC颗粒可以承载并传递一部分载荷，从而对铝合金起到直接强化[35–38]的效果；（4）由于TiC颗粒和Al基体的热膨胀系数不同，在铝合金电弧增材制造的熔池形成和凝固过程中，两者的冷却收缩程度不同，产生热应力，使TiC颗粒和基体中的位错密度提高，从而起到间接强化效果[15，39]。同时，由于复杂的界面反应，部分TiC颗粒在熔池冶金过程中分解，与合金基体发生界面反应，生成了脆硬相Ti–Si化合物和Al4C3，使得复合材料硬度增加，但增强相与金属基体之间结合减弱，从而降低理论的增强效果及材料的塑性。

　　本文研究了不同质量分数的TiC对电弧增材制造铝基复合材料组织与性能的影响，从微观组织、力学性能等方面展开分析，得出以下结论。

　　（1）添加TiC颗粒有助于细化晶粒，改变晶粒生长方向。随着TiC质量分数的增加，试样的平均晶粒尺寸由45.5μm细化为25.3μm，细化了44.4%；晶粒种类由柱状晶向细等轴晶转变，且组织更加均匀。

　　（2）随着TiC质量分数的增加，试样的抗拉强度和屈服强度都有较为明显的提升黄金律黄金比，最高抗拉强度提升至178.1MPa，屈服强度为157.3MPa，分别提升了19.9%和33.3%凯发在线官方网站，延伸率下降；硬度由50.5HV提升至65.2HV，提升了29.1%。

　　（3）本文为电弧增材制造技术制备复合材料提供了新思路新方法，为后续的研究奠定了基础。

　　来源：吕奇钊, 周祥曼, 罗彬, 等. 电弧增材制造纳米TiC颗粒增强铝基复合材料组织与性能研究[J].航空制造技术, 2024,67(10): 115–121, 130.

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　　原标题：《【复材资讯】电弧增材制造纳米TiC颗粒增强铝基复合材料组织与性能研究》

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