摘 要

由于具有优于普通金属材料的物理和化学性能，使得Ti6Al4V合金成为当前应用最广泛的一种钛合金材料。但由于它在综合性能方面的不足，如表面硬度较低，耐磨性较差等缺点却大大限制了该种材料在许多重要领域的应用。激光熔化沉积技术作为增材制造技术的一种，可以通过制备颗粒增强钛基复合材料来实现钛合金性能的提高。

因此，为了得到综合性能优良的钛合金材料。本文以不同质量分数的TiC颗粒作为增强体材料，采用激光熔化沉积技术在TC4合金板材上制得了以TiC为增强相的颗粒增强钛基复合材料。并借助晶相组织观察（OM）、X射线衍射分析（XRD）和显微硬度测试，探究激光熔化沉积TiC颗粒增强钛基复合材料的组织与性能。

结果显示，Ti6Al4V组织中存在大量正交形式的针状α′马氏体，TiC颗粒增强钛基复材的显微组织由马氏体α′相与TiC增强相组成，同时存在着少量未熔化TiC颗粒，TiC增强相弥散均匀分布，且随着TiC质量分数的增加，组织进一步细化。当TiC质量分数达为7 %时，TiC增强相散乱分布，呈现出柱状或链状。通过XRD检测显示，随着TiC质量分数的增加，钛基复合材料的相组成发生了如下变化：α′ β →α′＋β＋TiC→α′＋TiC。同时，TiC衍射峰的强度也随TiC质量分数的增加而增加。显微硬度测试结果表明，随着TiC质量分数的提高，复合材料显微硬度有了明显提升，从原来的327 HV₁提高到392 HV₁，提升了约20 %。材料显微硬度的提高主要由TiC颗粒增强相的增加、未熔化的TiC颗粒强化以及复合材料中位错密度的增加所引起。其中，位错密度的增加是由实验过程中加入的TiC颗粒增强相弥散均匀地分布在组织中，在形核过程中提供异质核心，使晶粒细化所致。

关键词：激光熔化沉积 TiC 颗粒增强 钛基复合材料

The microstructure and property research of TiC particle reinforced titanium matrix composites

Abstract

Ti6Al4V（TC4）alloy has become the most popular titanium alloy because of its physical and chemical properties better than other metal materials. However, it also has some shortcomings in comprehensive performances, such as poor surface hardness, which greatly limits its application in some vital fields. Laser melting deposition, as one of the Additive Manufacturing, can remarkably improve materials’ mechanical properties by depositing particle reinforced titanium matrix composites.

Therefore, to obtain a titanium alloy with comprehensive mechanical properties, this article fabricated TiC reinforced titanium matrix composites in surface of Ti6Al4V alloy by laser melting deposition in which TiC reinforcement has different mass fractions. Meanwhile, microstructure observation by optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD) analysis and microhardness testing were used to explore the microstructure and mechanical properties of TiC reinforced titanium matrix composites.

The research showed that there are a number of orthogonal а′ martensite in Ti6Al4V, and the microstructure of composites are composed by а′ martensite and TiC reinforcement. There are also uniformly distributed TiC reinforcement and unmelt TiC particle in composites, and the structure of composites were refined with the mass fraction. When mass fraction of TiC was 7%, TiC reinforcement scattered on the composite whose shapes were columnar or chain. XRD analysis reflected that the phase transformation of titanium matrix composites were α′ β →α′＋β→TiC→α′＋TiC. Meanwhile, the diffraction strength of TiC phase improved with the mass fraction of TiC increasing. The hardness testing revealed that the microhardness of composites increased from 327 HV₁ to 392 HV₁. The reason why composite’s microhardness improvement is the increasement of TiC reinforcement, strengthen by unmelt TiC particle and dislocation density increasing in composites. By the way, the increasement of dislocation density is the result of scattering distribution of TiC reinforcement in Ti6Al4V which can provide heterogeneous cores and refined grains.

key words: laser melting deposition; TiC; particle reinforced; titanium matrix composites

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2激光熔化沉积技术 1

1.2.1激光熔化沉积技术的基本原理 1

1.2.2 激光熔化技术研究现状 3

1.3钛及钛合金 4

1.4颗粒增强钛基复合材料 5

1.4.1基本原理 5

1.4.2研究现状 5

1.5 TiC颗粒增强钛基复合材料 6

1.6本文主要研究目的及内容 8

1.6.1研究目的 8

1.6.2研究内容 8

第二章 试验材料和检测方法 9

2.1试验方案 9

2.2试验材料 10

2.3试验设备及工艺参数 11

2.3.1试验设备 11

2.3.2试验工艺参数 12

2.4钛基复材组织及性能测试方法 12

2.4.1复合材料微观组织分析 12

2.4.2物相分析 13

2.4.3复合材料力学性能测试 13

第三章 钛基复合材料的组织与性能分析 14

3.1钛基复合材料组织分析 14

3.1.1材料宏观组织分析 14

3.1.2微观组织分析 16

3.2物相结构分析 17

3.3 TiC含量对钛基复合材料硬度的演变规律 18

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

钛及钛合金作为继钢铁、铝之后迅速发展起来的一种新兴的高性能金属材料^[1]，有着普通金属材料所不具备的优良性能，在社会生产的各个领域中都发挥着至关重要的作用。钛合金由于具有较小的密度、高的比强度、优良的耐热性和耐蚀性、良好的生物相容性等特点，作为一种轻质化高强度材料已被广泛应用于化工生产、船舰制造以及生物医疗等众多领域^[2]。然而，钛及钛合金在表面性能方面的不足，尤其是表面硬度和耐磨性方面的劣势大大的限制了它在某些重要领域的应用。因此，制备具有较高硬度和良好耐磨性的钛基复合材料（Titanium matrix composites）成为克服钛合金表面性能劣势的重要方法。其中，以硬质颗粒作为增强相的颗粒增强钛基复合材料（Particulate reinforced titanium matrix composites）因具有良好的综合力学性能，已经被证实是提高钛合金材料强度和硬度的重要手段^[3]。制备颗粒增强钛基复合材料的传统生产方法有很多，但是这些方法都很难实现材料的一次成型且所得材料性能无法得到保障，因此需要一种新兴的技术来实现高性能颗粒增强钛基复合材料的制备^[4]。激光熔化沉积技术作为增材制造技术的一种，有着传统生产工艺所不具备的优良特性，所得材料的组织均匀致密，无需二次加工，可显著提高材料的利用率，实现材料的近净成型。

1.2激光熔化沉积技术

1.2.1激光熔化沉积技术的基本原理

激光熔化沉积技术是以高能激光束为热源的金属增材制造技术（3D打印技术）的一种^[5]。目前，基于所选热源的不同和加工方法的差异，用于金属增材制造的生产工艺主要有激光熔化沉积技术、选区激光熔化沉积技术、电弧增材制造技术和电子束增材制造技术等。其中，以高压电弧作为加热源的电弧增材制造技术是选用丝状金属为实验材料，通过程序控制得到所需零件的金属3D打印技术，具有加工周期短，所得材料组织均匀、性能优良等特点。但是所得零件表面质量差，无法实现材料的一次成型任然是该技术亟待解决的问题^[6]。与该技术所不同的是，电子束增材制造技术是在程序控制条件下采用电子束实现金属的增材制造，这种方法加工周期短，加工速度快，所得材料组织致密，但由于该技术以高能电子束为热源且加工过程在真空环境中进行，加工成本较高，加工精度和所得材料表面质量较差而限制它的广泛应用^[7]。激光熔化沉积技术和选区激光熔化技术都是以高能激光束为热源实现材料近净成型的金属3D打印技术，可以实现许多复杂零部件和精密仪器的生产。另外，由于激光增材制造技术对所选材料没有特殊的要求，可以是粉末材料、膏状材料、丝状材料、也可以是棒状材料，所得复合材料组织均匀缺陷较少，因此成为金属3D打印的首选^[8]。其中，选区激光熔化技术是将预先铺好的薄层金属粉末，在指定激光路径下熔化成型之后再铺设一薄层粉末，从下至上一层一层沉积得到所需零件的方法。相比于这种方法，激光熔化沉积技术以同步送粉作为材料添加方式，具有选区激光熔化所不具备的许多优点，因此成为航空航天、汽车生产等工业领域主要的金属增材制造技术。

激光熔化沉积技术又被称为激光近净成型技术和直接金属沉积技术^[3]。它是以高能激光束为热源辐照金属基材使基材表面部分熔化产生熔池，并在辐照的同时由送粉设备将预制的金属粉末同步送入熔池中熔化^[9]，最终得到与基体金属呈冶金结合，组织致密，性能优良的复合材料加工技术。为了保证所得材料的质量，防止激光加工过程中由于高温熔池与周围环境的相互作用而产生杂质，使材料内部产生缺陷，组织与性能遭到破坏，整个激光加工过程都要在惰性气体保护的真空环境中进行。一个完整的激光熔化沉积系统主要由同轴送粉3D打印机、光纤激光器、同轴送粉激光器、气载式双筒送粉机、水冷设备和气体保护系统所组成。其工作原理如图1.1 所示。

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