Refined martensite and enhanced strength of selective laser melted Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V matrix composites by minor nano TiBw addition

微量纳米TiBw增强选区激光熔化Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V基复合材料的马氏体细化与强度提升

作者信息：

Qi An ^a b, Lihua Cui ^a, Delong Gong ^a, Han Cheng ^a, Ying Liu ^a, Rui Zhang ^a, Yang Bao ^a, Lujun Huang ^a b, Lin Geng ^a b

a School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

b State Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures, Harbin, 150001, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100014

文章介绍：

钛基复合材料（TMCs）凭借其卓越的比强度、比模量、高温耐久性和耐磨性，在航空航天、汽车工业、军事装备、船舶制造以及生物医学等领域具有广泛应用[1-8]。其中，原位合成TiB晶须（TiBw）作为TMCs中最常用的增强相之一，不仅具有低密度、高弹性模量和高抗拉强度等特性，其热膨胀系数与钛及钛合金高度匹配[9-12]，且与基体界面结合良好无反应产物[13]，这种高热力学稳定性显著提升了复合材料整体性能。

当前，针对航天器头部壳体、空气舵等重要结构件复杂构型的制造需求[14-16]，基于近净成形能力的激光增材制造技术成为理想解决方案。选区激光熔化（SLM/LPBF）采用高能激光束为能量源、粉末床为原材料[17]，其精细光斑与微细粉末的特性赋予该技术极高的成形精度优势。此外，SLM极快的熔凝过程可促进晶粒细化并原位合成纳米级增强相[18]。Jiang等[19]通过SLM制备Ti6Al4V合金及TiC/Ti6Al4V复合材料时发现，制备复合材料需要更高能量密度；Fereiduni等[20]研究证实TMCs的相对密度随输入能量密度增加呈先升后降趋势。Liu等[21]采用SLM制备原位TiBw/Ti6Al4V复合材料时，发现TiBw虽使材料强度显著提升，但延伸率从7.7%急剧降至2.6%。Li等[22]通过激光熔覆沉积（LMD）制备TiC体积分数0-50%的TiC/Ti6Al4V时观察到，当增强相（TiC）超过5%时，因TiC不完全溶解及其本征脆性会导致材料力学性能恶化。

当前研究现状表明，钛基复合材料（TMCs）的增材制造已开展基础性探索。由于陶瓷相的引入往往导致材料塑性下降，TMCs在打印过程中极易产生裂纹，因此现有研究多采用塑性优异的纯钛或Ti6Al4V作为基体[23-25]。近α型钛合金虽具有优良的高温性能[26]，但因铝当量过高导致的低延展性使其在SLM过程中易开裂，相关研究较为匮乏。然而，以近α型钛合金为基体的TMCs在高温环境航空航天领域更具应用潜力，但需合理设计TiBw增强相的体积分数，过高含量将导致材料延展性急剧降低。

本研究选用近α型Ti6.5Al2Zr1Mo1V合金粉末与亚微米TiB2陶瓷颗粒为原料，通过SLM技术制备TiBw/Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V复合材料。通过工艺参数优化，成功获得无裂纹、高致密度的TMCs。结果表明：与打印态Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V合金相比，复合材料的抗拉强度与屈服强度均显著提升。研究系统分析了SLM过程中的微观组织演变规律及原位纳米TiBw的强化机制，对TMCs增材制造的研究与应用具有重要参考价值。

中文摘要：

本研究采用选区激光熔化（SLM）技术，通过添加微量TiB₂颗粒原位生成TiB晶须（TiBw）增强相，在保证钛基复合材料（TMCs）塑性的同时实现强度提升。研究发现：随着能量密度的降低，打印态TMCs的气孔缺陷逐渐减少，当能量密度优化至61 J·mm⁻³时，材料孔隙率可降至0.0005%。为建立孔隙率与SLM工艺参数的关联性，系统研究了成形参数对TMCs微观结构的影响，并阐明了复杂热循环过程中的组织演变规律。纳米TiBw能有效抑制分级马氏体在热循环过程中的粗化，使马氏体板条厚度较打印态Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V合金减少约60%。微量TiBw的引入产生了显著的强化效果，最终材料获得1432 MPa的抗拉强度和1320 MPa的屈服强度，同时保持4.0%的延伸率。