激光定向能量沉積技術(shù)在陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料中的應(yīng)用：通過(guò)界面改性及熱輸入控制實(shí)現(xiàn)定制微觀結(jié)構(gòu)并提升機(jī)械性能——以高硼鋼為例
《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Laser directed energy deposition of Ceramic/Metal Composites: Interfacial modification and heat input regulation for Tailored microstructure and enhanced mechanical properties Exemplified by high boron steel
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本研究提出激光增材制造中陶瓷/金屬界面改性與熱輸入?yún)f(xié)同調(diào)控策略，通過(guò)鎢涂層改善B4C與不銹鋼熔池潤(rùn)濕性，結(jié)合熱輸入優(yōu)化實(shí)現(xiàn)孔隙率降低99%、晶粒細(xì)化80%，并消除熱處理需求，為近凈成形復(fù)合部件制造提供新方法。
王瑞|朱子涵|李寧|嚴(yán)大鵬|崔斌|黃勝|(zhì)李青宇|李迪晨
中國(guó)陜西省西安市西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，郵編710049
摘要
激光定向能量沉積（LDED）技術(shù)在制備功能-結(jié)構(gòu)復(fù)合材料方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，陶瓷與金屬之間的界面不兼容性限制了其服役性能。本研究提出了一種通用策略，將復(fù)合材料界面的表面改性與LDED過(guò)程中的熱輸入調(diào)節(jié)相結(jié)合。該策略的核心思想是將陶瓷/金屬界面轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?金屬界面，從而提高熔池的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)熱輸入的系統(tǒng)性優(yōu)化來(lái)控制熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，進(jìn)而調(diào)控固化路徑和最終微觀結(jié)構(gòu)。以高硼鋼為例的案例研究表明，B4C表面涂覆鎢后，其孔隙率降低了99%以上；晶粒尺寸也減少了約80%。在適中熱輸入（40 J/mm2）條件下，硼沉淀物從連續(xù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小且均勻分布的顆粒。未經(jīng)熱處理的樣品拉伸強(qiáng)度僅為ASTM標(biāo)準(zhǔn)的2倍多，而經(jīng)過(guò)處理后的樣品拉伸強(qiáng)度達(dá)到了8.7 ± 1.70%。本研究通過(guò)“界面改性-激光工藝控制”的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了高性能陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的工藝優(yōu)化，消除了后處理熱處理的需要，為近凈形陶瓷/金屬組件的制造提供了前瞻性解決方案，具有重要的理論意義和廣泛的工程應(yīng)用前景。
引言
激光增材制造技術(shù)為制備具有復(fù)雜幾何形狀和集成功能-結(jié)構(gòu)特性的金屬部件提供了一種革命性的方法[1],[2]。此外，LDED在梯度材料一體化成型方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在制備功能集成結(jié)構(gòu)材料方面具有巨大潛力。激光定向能量沉積（LDED）的逐層近凈形能力和快速熱循環(huán)特性使其在制備陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料方面具有顯著潛力[3]。LDED技術(shù)旨在結(jié)合陶瓷相的特定功能與金屬基體的良好韌性，從而直接制造出能夠承受極端服役條件（如嚴(yán)重磨損、腐蝕或特殊中子屏蔽環(huán)境）的部件[4]。然而，這一技術(shù)路線面臨一個(gè)長(zhǎng)期存在的核心問題：陶瓷與金屬基體之間的潤(rùn)濕性不足導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度低[5],[6]。這一根本問題直接導(dǎo)致熔池流動(dòng)性差，并引發(fā)孔隙等缺陷[7]，最終顯著降低了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性和服役可靠性[8]，尤其是在陶瓷含量較高的復(fù)合材料中（例如，為了高效中子屏蔽而含有高濃度硼化物[9]）。這導(dǎo)致了功能屬性與結(jié)構(gòu)屬性之間的權(quán)衡[10]。傳統(tǒng)制造方法會(huì)使本質(zhì)上不兼容的界面經(jīng)歷快速的非平衡激光熔化過(guò)程，從而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)不均勻[11]。因此，開發(fā)一種能夠增強(qiáng)陶瓷/金屬界面兼容性并主動(dòng)控制復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)的通用策略已成為一項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。
目前，激光增材制造面臨粉末分布不均勻和陶瓷/金屬界面結(jié)合力弱、易形成缺陷等問題。為了解決這些問題，研究主要集中在兩個(gè)方面：材料預(yù)處理和工藝控制。在材料設(shè)計(jì)方面，Ethan等人通過(guò)機(jī)械合金化策略，利用激光粉末床熔融技術(shù)成功制備了高TiB2含量的AlSi10Mg復(fù)合材料[12]。他們通過(guò)選擇相容的陶瓷相并添加硬脂酸，實(shí)現(xiàn)了TiB2顆粒的均勻分散和界面預(yù)結(jié)合[6]。然而，這種方法僅適用于陶瓷與基體之間反應(yīng)性較低的體系。對(duì)于含有活性成分的復(fù)合材料，研究人員嘗試通過(guò)化學(xué)調(diào)節(jié)來(lái)改變微觀結(jié)構(gòu)。例如，在高硼鋼中添加鈦，利用鈦對(duì)硼的高親和性形成細(xì)小的TiB2顆粒，取代了連續(xù)的脆性Fe2B網(wǎng)絡(luò)，從而減少了基體的脆化[13]。不過(guò)，添加鈦會(huì)增加成本，并可能形成其他金屬間化合物。Wanwan等人證明，在LDED過(guò)程中調(diào)節(jié)熱輸入可以原位控制TiB的分布，表明增材制造參數(shù)對(duì)第二相演化有顯著影響[14]。然而，當(dāng)材料體系本身界面兼容性較差時(shí)，工藝調(diào)整往往效果不佳。總之，目前仍缺乏一種特別適用于界面結(jié)合力差和陶瓷/金屬組合反應(yīng)性高的體系的通用策略。
為從根本上解決這些問題，本研究提出了一種通用協(xié)同策略：首先對(duì)陶瓷增強(qiáng)顆粒進(jìn)行表面金屬化處理，以預(yù)先改善界面兼容性；其次，在LDED過(guò)程中主動(dòng)優(yōu)化熱輸入，以控制固化行為和微觀結(jié)構(gòu)。在界面改性層面，本研究將原始的陶瓷/金屬界面轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?金屬界面；在工藝層面，系統(tǒng)地利用LDED熱輸入作為關(guān)鍵控制參數(shù)，調(diào)控組分的擴(kuò)散、形核和生長(zhǎng)，從而優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)。理論上，適當(dāng)?shù)臒彷斎肟梢詫?shí)現(xiàn)增強(qiáng)分布和基體微觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化[15]。總之，本研究旨在通過(guò)結(jié)合“陶瓷增強(qiáng)體的界面改性以提高界面結(jié)合力”與“通過(guò)LDED熱輸入精確控制熔池冶金過(guò)程”來(lái)闡明和驗(yàn)證一種制備高性能陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的新方法。為了系統(tǒng)驗(yàn)證這一協(xié)同策略，選擇了高硼不銹鋼作為代表性案例進(jìn)行深入研究。高硼不銹鋼具有明顯的功能-結(jié)構(gòu)屬性沖突，使其成為評(píng)估新方法在界面控制、缺陷抑制和微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面效果的理想模型系統(tǒng)。
本研究實(shí)現(xiàn)了高性能陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的直接制備，無(wú)需后處理熱處理，從而不再受爐子體積的限制，為工程應(yīng)用帶來(lái)了巨大潛力。本文結(jié)構(gòu)如下：首先概述研究背景和常見挑戰(zhàn)，提出創(chuàng)新策略；接著詳細(xì)介紹材料設(shè)計(jì)、制備和表征方法；隨后系統(tǒng)展示微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能結(jié)果；最后總結(jié)結(jié)論并展望該方法的應(yīng)用前景。
部分摘錄
B4C粉末的制備與表征
選擇界面改性材料時(shí)，需要系統(tǒng)考慮不銹鋼熔體與碳化硼之間的潤(rùn)濕性不匹配問題。首先，改性材料必須能夠很好地潤(rùn)濕不銹鋼熔體，其接觸角應(yīng)顯著低于B4C/不銹鋼（通常>90°）。其次，其熔點(diǎn)必須高于不銹鋼基體（例如>1400°C），以防止過(guò)早熔化并喪失保護(hù)功能。
缺陷特征與致密化
為了評(píng)估鎢涂層對(duì)LDED高硼不銹鋼復(fù)合材料成型質(zhì)量的影響，使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描對(duì)沉積后的塊狀樣品的孔隙率進(jìn)行了定量分析，結(jié)果如圖3所示。未涂覆碳化硼粉末的樣品孔隙率為14.29%（樣品0）。相比之下，經(jīng)過(guò)界面改性的樣品孔隙率顯著降低，分別為0.04%（樣品1）、0.10%（樣品2）、0.09%（樣品3）。
鎢涂層碳化硼消除材料孔隙缺陷的機(jī)制
涂覆鎢的碳化硼粉末樣品的孔隙率降低了99%以上。這一改進(jìn)歸因于鎢涂層提高了B4C與不銹鋼熔體之間的界面潤(rùn)濕性，如圖10所示。未涂覆碳化硼時(shí)，陶瓷與熔融不銹鋼之間的潤(rùn)濕性差且接觸角大，導(dǎo)致熔體無(wú)法有效擴(kuò)散到顆粒上。
結(jié)論
本研究解決了LDED制備的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料在成形性和性能上的關(guān)鍵問題。提出并驗(yàn)證了一種結(jié)合界面改性與熱輸入調(diào)節(jié)的通用策略，最終實(shí)現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化。主要結(jié)論如下：
1)創(chuàng)新的界面改性促進(jìn)了冶金結(jié)合，降低了材料中的孔隙率
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
王瑞：撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、可視化、驗(yàn)證、方法論、研究、數(shù)據(jù)分析、概念化。朱子涵：撰寫 – 審稿與編輯、資源協(xié)調(diào)、概念化。李寧：研究、概念化。嚴(yán)大鵬：資源協(xié)調(diào)、概念化。崔斌：軟件開發(fā)、概念化。黃勝：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法論、概念化。李青宇：資金獲取、概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會(huì)影響本文工作的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
致謝
作者衷心感謝廣東YINNA科技有限公司在碳化硼鎢涂層工藝方面提供的技術(shù)支持。特別感謝西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的郝志偉博士，感謝他在涂層技術(shù)方面提供的寶貴信息和建議。
作者還要感謝儀器分析中心的王家偉工程師、陳亞楠工程師和任子軍工程師。
