金属基复合材料纳米陶瓷增强相选区激光熔化可控生长机制

粉末冶金是制备块体金属基纳米复合材料的主要方法，成形材料典型显微特征是纳米陶瓷增强相保留颗粒形态。但因纳米颗粒比表面积大、活性强，成形材料突出问题是：纳米增强颗粒间团聚，或内部晶粒粗化，组织均匀性差；且颗粒表面易氧化，界面润湿性低。本项目采用的选区激光熔化工艺则是基于完全熔化机制成形纳米陶瓷增强金属基复合材料，可充分利用高能激光辐照特有的能量特点、加热方式及冶金机制，实现纳米陶瓷增强相可控生长及分布。定量研究非平衡激光熔池内微观压力、Marangoni气流、速度场、溶质场等理论及其对纳米陶瓷增强相生长和分布的影响，提出激光作用下纳米增强相形成条件及机制。定量研究陶瓷增强相和基体金属的种类及含量、粉体物性参数及激光工艺参数对纳米陶瓷增强相生长机制的影响，提出实现纳米增强相显微组织均匀可控的材料与工艺措施。本项目研究有望为高性能金属基纳米复合材料零件激光近净成形与快速制造提供科学理论基础。

本项目研究金属及其复合材料选区激光熔化（SLM）成形过程中强化相/增强相可控生长和分布机制及其对成形性能的影响机理。（1）对于Ti及其复合材料：研究了不同粉末特性和工艺参数下SLM成形TiC/Ti纳米复合材料致密化行为、显微组织及摩擦磨损性能，发现了TiC增强相独特的薄片状纳米结构及其生长机制，揭示了SLM成形件硬度及摩擦磨损性能提升机理；研究了SiC/Ti复合体系SLM制备原位TiC/Ti5Si3复合材料的成形机制，揭示了SLM工艺参数对原位TiC增强相枝晶结构生长及演变的影响规律，发现了TiC枝晶晶轴的生长在动力学上依赖于激光扫描速度、枝晶臂的生长则依赖于激光能量及SLM成形温度。（2）对于Ni基高温合金及其复合材料：研究了激光工艺参数对Inconel 718合金SLM成形件表面形貌、致密度、物相及显微组织的影响规律，发现了激光能量较低时成形件表面“球化”现象等冶金缺陷，揭示了随激光能量提高显微组织经历“粗大枝晶—团簇状枝晶—均匀细化柱状枝晶”的演变规律；研究了SLM制备纳米TiC增强Inconel 718复合材料的成形机制，发现了复合材料显微组织及增强相颗粒分布随激光能量合理增加可逐渐均匀细化，可使成形件力学性能及高温氧化性能显著提高。（3）对于W基复合材料体系：研究了纳米TiC固溶增强W基复合材料机械合金化制备及SLM成形机理，揭示了球磨时间对TiC/W纳米复合粉末相变机制、颗粒变形机制及纳米晶形成机制的影响规律，提出了激光能量密度对SLM过程中纳米TiC固溶机理及成形件致密度、显微硬度和摩擦磨损性能的影响机制；研究了W-C-Ni复合体系SLM制备原位WC/Ni复合材料的成形机制，揭示了原位WC晶体具有的新颖三角形结构及其在不同工艺参数下生长和演变机制。（4）对于Al合金及其复合材料：研究了Al合金SLM过程中熔池温度场及热行为，揭示了当激光功率增加时熔池尺寸、熔池冷却速度和温度梯度均呈增加趋势，而当扫描速度增加时熔池冷却速度明显升高、温度梯度却略有降低；发现了SLM成形TiC/AlSi10Mg纳米复合材料中TiC增强颗粒沿基体晶界均匀分布，形成新颖的环状增强结构，可使成形件显微硬度、摩擦磨损性能及拉伸性能显著提升。