多陶瓷相强化Fe基纳米复合材料的激光选区熔化原位合成机理研究

Metal matrix nanocomposites with high strength and high stiffness as well as small specific weight, are widely used in machanical, automotive, aerospace and other fields. Metal matrix nanocomposites prepared by traditional thermal processing have some problems of grain growth and nanoparticle agglomeration. Moreover, it is difficult to machine or form complex nanocomposite parts by traditional methods. In this project, Fe/(Cr3C2, WC, Mo2C) material system will be used to prepare nanocomposites reinforced by multiphases. Selective Laser melting (SLM) technology is innovatively proposed to in-situ synthesize nanocomposites directly from metal and ceramic mechanically-mixed powders. The partial melting of ceramics could be achieved by controlling SLM energy input and the remaining ceramic nanoparticles could be considered as a dispersion of strengthening phase. Fe-based nanocomposites with excellent performance would be obtained with the solid solution and dispersion strengthening. The high cooling rate and micro-molten pool solidification characteristics during SLM process are expected to solve the grain growth, nanoparticle agglomeration and other scientific issues during traditional thermal processing. The relationship between the composite material system, SLM forming processing and the parts’ performance could be established by a comprehensive analysis of microstructure and mechanical properties of Fe-Cr3C2-WC-Mo2C parts. This project would provide theoretical support for low-cost forming of Fe nanocomposites with complex structure and high-performance.

金属基纳米复合材料具有高强度与高刚度且比重小，被广泛应用于机械、汽车、航天航空等领域。传统热加工制备金属基纳米复合材料存在晶粒长大、纳米颗粒易团聚等问题，且加工与成形复杂结构的金属基纳米复合材料仍存在较高的难度。本项目选取Fe/(Cr3C2, WC, Mo2C)材料体系，创新性地提出通过激光选区熔化(SLM)技术直接从金属和陶瓷机械混合粉末原位合成多相强化Fe基纳米复合材料。通过可控的SLM能量输入实现陶瓷的部分熔化与Fe发生固溶反应以期改善Fe基性能，残留的陶瓷纳米颗粒作为弥散强化相，建立固溶和弥散硬质相共存的调控机制。充分利用SLM过程高冷却速率以及微熔池凝固成形特性，拟解决传统热加工中晶粒长大、纳米颗粒团聚等科学问题。通过对成形件的微观结构与力学性能的综合分析，建立材料体系、SLM成形工艺和成形件微结构性能之间的关系模型，为实现复杂结构高性能Fe基纳米复合材料低成本成形提供理论支持。

金属基复合材料由于其机械性能优越被广泛研究，然而目前的金属基复合材料制备与成形过程分离，材料性能虽然能保证，但后续的零件加工成形及其困难。因此，金属基复合材料的制备与成形一体化是必然趋势。本研究采用激光选区熔化SLM技术，通过原位制备纳米复合材料，进而成形出复杂零件。设计与建立了金属基体与陶瓷相、非晶相复合材料体系，研究不同增强相对Fe基合金的影响。项目主要完成SLM原位制备Fe基复合材料的工艺参数优化，并完成金属/陶瓷界面结合等深入分析研究；研究了SLM原位制备非晶/不锈钢基复合材料的增强机制；研究SLM原位制备TiN/不锈钢基复合材料的增强机制，建立材料体系、SLM成形工艺与Fe基复合材料微结构性能之间的关系模型。研究结果发现不同基体和增强相之间存在不同的增强机制。在Cr3C2/Fe复合材料中存在晶粒细化强化、M23C7型碳化物析出增强以及Cr元素的固溶强化机制。在这三种强化机制中，碳化物析出增强似乎是最显著的增强机制，其次是晶粒细化强化和Cr元素的固溶增强，在这三种强化机制的相互作用下，使得Cr3C2/Fe复合材料既具有一定的韧性，也具有很高的拉伸强度和硬度。在非晶增强316L不锈钢复合材料中则主要表现为Y元素的析出、晶粒细化强化及Co，Cr，Mo等元素的固溶强化作用。在420不锈钢中加入TiN颗粒的增强方式增强基体，故其含量会显著影响复合材料的最终性能。阐述了复合材料的几种基本增强机制：颗粒增强，固溶强化和晶粒细化，分析了几种强化机制的成因和对性能影响的比重，为研究复合材料材料制备与激光成形提供了理论指导。研究成果在国内外本领域主流期刊如Scripta Materialia等发表论文8篇，其中SCI论文7篇，他引次数超过50次。申请专利3项，授权2项，国内外大会特邀报告5次。获得湖北省技术发明一等奖1项（排5），获批2017年湖北省杰出青年基金，2016年湖北省楚天学子，武汉市晨光计划，武汉市光谷3551创新人才计划，华中科技大学学术新人奖（全校10人），华中科技大学科技新星（全校10人），培养学生4名。