功能梯度金属材料增材制造实验与数值研究综述(5)

Ti/SiC梯度体系结合了钛的低密度和良好的强度和韧性以及碳化硅的低密度和高温性能，可作为轻质和耐热材料应用于未来的航空航天领域。Ti/SiC梯度体系AM的相关研究表明，去除70% Ti + 30% SiC中间层后，分层缺陷消失。这是由于在70% Ti +30% SiC层中，存在着最低数量的富Ti相和Ti3SiC2相，它们是抗热应力的韧性和耐受性相。因此，通过去除这一层，完全消除了FGM分层。同时，通过降低层厚和降低残余应力，消除了垂直于富sic层界面的裂纹，得到了无明显缺陷的FGM。

在另一种防止金属-陶瓷梯度AM中富陶瓷层开裂的尝试中，Li等人使用Ti-Si-C复合粉末原位合成TiC和Ti3SiC2作为主要陶瓷相，这是一个重要的挑战。因为TiC虽然有这些优点，但非常脆，而Ti3SiC2可以通过其适当的韧性来掩盖这一弱点，从而有效地防止开裂。图16a和图b为Ti6Al4V/ Ti-Si-C梯度沉积剖面的显微图，以及梯度层中TiC、Ti3SiC2和富ti相的分布图。良好的冶金结合，界面无缺陷，在梯度沉积中获得了无裂纹的富陶瓷层，表明该工艺是成功的。同时,最后一层的微观结构和阶段评估使用TEM表明,除了相对粗粮的抽搐阶段(图16 c)和准连续连锁Ti3SiC2(图16 d), Ti5Si3阶段的微小粒子的大小100海里也呈现(图16 e),这对确定梯度体系的机械性能和达到995 MPa的高抗弯强度起着重要作用。

图16 a) Ti6Al4V/ Ti-Si-C梯度沉积剖面的显微图。b)梯度层中TiC、Ti3SiC2和富ti相的分布图。c-e)最后一层的TEM亮场图像和指定区域的电子衍射图分别代表TiC、Ti3SiC2和Ti5Si3相

钛基梯度复合材料的AM研究综述如表4所示。

表4 综述了钛基梯度复合材料增材制造的研究进展。

3.2.3 其他梯度复合材料

尽管由于Inconel镍基合金的硬度和耐磨性有限，尤其是在恶劣的工作条件下，其高温性能优异，但Wilson和Shin研究了TiC浓度对IN690/TiC梯度复合材料组织和磨损行为的影响。图17a显示了一幅经过修改的光学图像(为了更好地检测增强颗粒)，其组成从0到37 vol. % TiC的梯度复合截面。对不同TiC含量区域的微观结构评估表明，随着TiC含量的增加，微观结构尺寸减小。

图17 a)光学图像为IN690/TiC梯度复合材料截面的二值图像，TiC含量从0到37 vol.%变化。梯度复合材料的显微组织为35-45 vol.% TiC，放大倍数为b, c) 500 ×， d) 1500 ×和e) 5000 ×。f) 100% VC-20% VC-SS304梯度系统的截面和硬度剖面。

首先，TiC具有比IN690更高的热导率（330 W/m.K vs.30.1 W/m.K），这可以加速熔体池中的温度下降。其次，具有较高熔点的TiC颗粒可以为熔池中的γ相提供异质形核位置，阻止晶粒长大。TiC含量增加30%以上不仅显著减小了微观结构的尺寸（图17b和c），而且如图17d和e所示，由于熔体池中TiC颗粒的部分熔融/溶解以及与基体的反应，在微观结构中还观察到新的十字形TiC枝晶。TiC颗粒和TiC枝晶相在基体中都是稳定的，可以提高IN690的硬度和耐磨性。

Shishkovsky等在通过SLM制造NiCrBSi+WC梯度复合材料（5-10-15 vol.%）时，建议强烈需要预热基板和合成室（高达700–500°C），以减少孔隙率、异质性，并防止开裂和分层。他们还表明，随着腔室中平台和粉末的额外加热，NiCrBSi层的最小显微硬度从409 HV增加到650 HV，含有15 vol.%WC的层的最大显微硬度从650 HV增加到728 HV，这可能对结构的耐磨性产生显著的积极影响。显微硬度的增加可归因于孔隙率和不均匀性的降低以及碳化物和硼化物相的更好演化。

在另一项研究中，碳化钒(VC)的有趣性能及其与钢一起作为金属基复合材料中的保护涂层或强化相的使用，导致Gualtieri和Bandyopadhyay研究了化学成分变化对物理、机械、以及SS304-VC梯度结构的摩擦学性能。可以看到从硬度在VC 100% - 20%的深度- VC ss304梯度系统在图17 f, VC的逐渐沉积及其扩散导致硬度逐渐增加,这可以减少易开裂或分层逐渐增加衬底之间的应变梯度和100%的风险投资。此外,虽然穿的宽度和深度材料在水射流测试对SS304和20% VC样本几乎相同,没有观察到严重损害表面和截面的100% VC样本,暗示这种金属碳化物的优良的耐磨性。

在另一项研究中，碳化钒（VC）的有趣特性及其与钢一起用作金属基复合材料中的保护涂层或强化相，导致Gualtieri和Bandyopadhayy研究了化学成分变化对物理、机械性能的影响，以及SS304-VC梯度结构的摩擦学性能。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2022/0422/764.html