高均匀性纳米TiC增强钛基复合材料的激光原位增材制造及其组织结构调控研究

Nanoscale TiC reinforced titanium-matrix composites can extensively use in aerospace areas owing to their high specific strength and antifatigue. However, in the traditional manufacturing techniques, the agglomeration of nanoscale TiC reinforcement and unsatisfactorily interface bonding will effect the comprehensive performances of the composites. In addition, titanium-matrix composites are very hard to be machined, thus, a new method needs to be proposed to directly manufacture composite parts with complicated-shapes. Consequently, in this proposal, a new fabrication method which combines the technologies of the laser chemical vapor deposition (LCVD) and selective laser melting (SLM) will be employed. It uses gaseous methane (CH4) and titanium alloy spherical powder as raw materials, TiC will be in-situ synthesized by the decomposition of CH4 and the reaction with the Ti6Al4V alloy, and finally fabricating the TiC reinforced Ti6Al4V composite parts layer by layer (the process of SLM). A uniformly distributed nanoscale TiC reinforcment in the Ti matrix is likely formed owing to the molecular-level size and good dispersibility of the gaseous CH4. In this project, the in-situ generation mechanism and dispersion pattern of TiC, and the composite mechanism and strengthening mechanism of the TiC/Ti6Al4V composite will be studied, the influencing factors and the controlling methods of the microstructure and properties of the TiC/Ti6Al4V composite will be learnt, a innovative new method of in-situ laser additive manufacturing of high-performance titanium-matrix composite will be developed.

纳米TiC增强钛基复合材料具有比强度高、耐疲劳等优点，可广泛应用于航空航天等领域，但传统方法制备时存在纳米TiC极易团聚、界面结合不强等问题，影响其综合性能，并且，钛基复合材料机加工难度大，急需能够净近成形钛基复合材料复杂结构零部件的加工方法。为此，本项目提出采用激光化学气相沉积(LCVD)与激光选区熔化(SLM)并行加工的新方法，以甲烷气体(CH4)和钛合金球形粉末为原料，通过CH4热解产物碳与钛基体原位反应生成TiC，并通过SLM逐层成形出TiC增强钛基复合材料零部件。其中，小尺寸的CH4气体分子利于形成纳米TiC；分散性极好的CH4通过气相扩散–反应方式可生成均匀分散的TiC，且界面清洁干净。本项目拟进一步阐明TiC增强相的原位生成机制、分布规律及与钛合金的复合强化机理，掌握其对复合材料组织结构和力学性能的影响规律及调控方法，开发出激光原位增材制造高性能钛基复合材料的原创性新方法。

传统工艺制备纳米复合材料时存在纳米相极易团聚、界面结合不强、综合性能欠佳等问题。针对这些问题，本项目提出了一种激光原位增材制造纳米复合材料的新方法。在激光选区熔化钛合金的过程中，通入甲烷气体（CH4），通过控制激光与钛合金作用产生的高温区域内CH4的热解过程，热解中间产物碳（C）与熔池中的钛（Ti）原位反应生成纳米尺寸的TiC增强相，并与熔化–凝固过程中的钛合金基体进行复合，最终通过增材制造逐层工作的方式制备出纳米TiC增强钛基复合材料。由于气体分散性、扩散性好，生成的增强相均匀分散；气体分子尺寸极小，可生成纳米相；由于是原位反应，界面结合更好。基于这些核心优势可制备综合性能优异的TiC纳米相增强钛基复合材料，同时增材制造可以成形复杂结构零部件。本项目研究了TiC增强相的原位生成机制、分布规律及与钛合金的复合机理，掌握了关键工艺参数（如CH4浓度、激光功率、扫描速度）对复合材料组织结构和力学性能的影响规律及调控方法，阐明了复合材料的强韧化机理。值得注意的是，在低浓度CH4气氛（≤ 23 vol.%）下原位生成的TiC纳米相不易团聚、分散均匀，而且与Ti6Al4V钛合金基体间界面干净、结合良好，并实现了TiC/Ti6Al4V纳米复合材料强度和韧性的同时提升（抗压强度提高27.4%的同时塑性提高54.1%）。本项目研究结果可为高性能纳米相增强钛基复合材料及复杂形状零部件的增材制造直接成形提供基础数据和理论支撑。本项目新方法在材料表面硬化与强化、内部渗碳/渗氮、高强高韧结构件、轻质高强结构件、功能梯度材料等领域具有较大的应用前景。