摘 要

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金以其优异的综合性能和良好的工艺特性，广泛应用于航空、军工、民用等领域。选择性激光熔覆技术（SLM）是近年来发展起来的一种直接制造TC4零件的快速成型技术，具有精度高、成形快及构件致密度好等优点。

本实验通过在TC4原料粉中添加质量分数为3%的TiB₂，采用选择性激光熔覆技术制备钛基复合材料。用X射线衍射技术（XRD）来分析成形后样品中相成分的变化，通过纳米压痕和显微硬度技术来测试材料的机械性能。实验结果表明，在大功率快速扫描策略下，物相主要以α-Ti的形式存在，高的冷却速率抑制了晶粒的长大，生成了大量的细晶组织。机械性能测试表明，与传统的铸造工艺相比，本实验中材料的弹性模量（147GPa）和显微硬度（500-600Hv）都有显著提高。

关键词：钛基复合材料；选择性激光熔覆；机械性能

Abstract

Based on its excellent performance and good technological characteristics, TC4 (Ti-6Al-4V) titanium alloy has been widely used in aerospace, military and other fields. Selective laser melting (SLM) features with high precision, fast shaping and good density components and now becoming a newly developed rapid prototyping (RP) technology manufacturing for TC4 parts.

In this study, TC4 titanium matrix composites composed with wt3% TiB₂ powders were produced by SLM technology. X-ray diffraction was used to investigate the phase transformation. Meanwhile, nanoindentation and micro-hardness techniques were applied to test the mechanical properties of the material. The experimental results showed that the main phase exists in the form of α-Ti based on high laser power and fast scanning speed. Rapid cooling rate inhibited grain growth leading to generate a large number of fine grain structure. The mechanical performance showed that the elastic modulus at 147GPa and microhardness at 500-600HV of the samples in this experiment has improved significantly compared with conventional cast TC4.

Key words：titanium matrix composites；selective laser melting；mechanical properties

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钛合金的研究现状 2

1.2.1 钛合金的分类 2

1.2.2 TC4合金的研究现状 2

1.3 颗粒增强钛基复合材料 5

1.3.1 钛基体的选择 5

1.3.2 增强相的选择 5

1.3.3 颗粒增强钛基复合材料的制备方法 7

1.4 增材制造 8

1.4.1选择性激光熔覆技术 9

1.4.2 SLM工艺研究现状 10

1.5 本课题的研究目的和主要研究内容 12

1.5.1 课题的研究目的 12

1.5.2 课题的主要研究内容 12

第二章 实验材料及其实验方法 13

2.1 实验用原材料 13

2.2 材料制备工艺及研究方案 13

2.3 组织结构分析 16

2.3.1 金相制备及观察 16

2.3.2 晶体结构表征 16

2.4 力学性能测试 18

2.4.1 显微硬度 18

2.4.2 纳米压痕 20

第三章 结果与讨论 24

3.1 相位特征 24

3.2 冷却过程相转变模拟 25

3.3 显微结构分析 26

3.4 机械性能分析 27

3.4.1 纳米压痕分析 27

3.4.2 显微硬度分析 30

3.4.3 强化机制分析 34

第四章 结论与前景展望 36

4.1 结论 36

4.2 前景展望 36

参考文献 38

致谢 41

第一章 绪论

1.1 引言

钛是20世纪50年代蓬勃发展起来的一种金属材料，钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性强、耐热性好等优点，广泛应用于航空航天、生物医药、军工等领域，被称为“全能金属”^[1]。随着航空航天、军工及汽车制造领域的迅猛发展，对钛合金的力学性能提出了更高的要求。当通过传统的热处理工艺提高其性能时，由于钛合金导热性差，尤其是α β相钛合金淬透性差，淬火时零件由于应力过大而弯曲，无法提高其综合性能^[2]。研究人员考虑通过加入高强度、高刚度的增强相制备出钛基复合材料。这样在一定程度上弥补了钛合金耐磨性差、硬度低和弹性模量低等不足^[3]。钛基增强复合材料具有各向同性、制备方法简单、成本低等优点，而且通过后续加工可进一步改善其组织性能，应用前景十分广泛。

传统制备钛基复合材料的方法主要有熔铸法、粉末冶金法和高温自蔓延法等。熔铸法生产成本低，增强体与基体之间界面结合良好，同时得到的复合材料也伴随着组织粗大、成分偏析严重等问题。粉末冶金法凝固速度快，晶粒细小，材料组织均匀，性能稳定。但该方法工艺十分复杂，普通设备难以达到要求，以至于难以实现大批量生产和应用。高温自蔓延法反应速度快，凝固速度快，合成产物纯度优良。然而，生成增强体的大小和形貌难以控制，使得钛基复合材料致密度较差。

近年来，基于分层制造原理发展而来的增材制造技术蓬勃发展，这项制造技术已经成为世界各国竞相发展的热点技术。增材制造是依据三维CAD数据将粉末材料成型为物体快速成型技术。与传统的熔铸法、粉末冶金法相比，具有成型快、成本低、效率高及产品精度高等优势。其中将快速成型技术与激光熔覆技术相结合的选择性激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）不仅具有快速成型技术的一般优点，而且所获得的金属零件为冶金结合，致密度高达99%，提高了零件的机械性能^[4]。现在使用SLM技术已经成功的制备了性能良好的不锈钢^[5]、钛合金^[6]等材料。但是为了获得最优良的综合性能，其工艺参数仍有待优化调整。本课题拟通过选择性激光熔覆技术制备TC4（Ti-6Al-4V）/TiB复合材料，并对复合材料的组织结构和力学性能进行研究，探求TiB在本实验条件下的强化机制。

1.2 钛合金的研究现状

从应用角度来看，近年来钛合金的研究主要集中在高温钛合金、高强高韧钛合金、低成本钛合金、生物医用钛合金等。

1.2.1 钛合金的分类

目前成熟高温钛合金的最高使用温度是600℃，主要有英国的IMI834(Ti-5.8Al-4.0Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.35Si-0.7Nb-0.05C)合金，已经在Trent700、EJ200和PW350等发动机上得到应用。此外，美国的Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金，俄罗斯的BTl8y(Ti-6.8Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.2Si-1Nb)和BT36(Ti-6.3Al-2.2Sn-3.5Zr-0.7Mo-0.15Si-5W)合金等也有较为成熟的应用^[7]。