Ti基纳米复合材料高能球磨制备及选区激光熔化成形技术研究

摘要

金属基纳米复合材料根据增强相的加入方式可分为外加颗粒增强以及原位自生增强两种。实现纳米增强相均匀分布及防止纳米结构粗化是制备性能优异的金属基纳米复合材料的关键。
　　 本文利用行星式高能球磨机设备，高能球磨微米级TiC/Ti和SiC/Ti粉末体系，制备了纳米TiC增强非晶Ti基复合粉末及纳米TiC 原位增强Ti5Si3基复合粉末，并利用选区激光熔化工艺成功制备了TiC/Ti和TiC/Ti5Si3 纳米复合材料试件。
　　 TiC/Ti 混合粉末随着球磨时间增加至15 h，由于高能球磨诱发Ti 发生严重塑性变形，产生大量晶格缺陷，致使Ti 发生非晶转变。复合粉末颗粒在球磨至10 h与20 h 处经历了两次严重细化阶段。最终得到纳米颗粒TiC 增强非晶Ti基复合粉末，纳米级TiC 在Ti基体中分布均匀。
　　 在原位制备TiC/Ti5Si3 纳米复合粉末过程中，SiC 在25 h 高能球磨中逐渐分解，而Ti 在相对较短时间内(10 h)完全参加反应。TiC/Ti5Si3 纳米复合粉末结构依次经历了初级细化-粗化-二次细化的过程。复合粉末颗粒的细化过程以分层碎化为主要机制。高能球磨25h后，纳米颗粒TiC 在Ti5Si3基体中分散均匀。
　　 对TiC/Ti 纳米复合粉末进行选区激光熔化实验，成功制备了TiCx 增强Ti基纳米复合材料试件。激光线能量密度η为1100 J/m 时，成形试件致密达95.6%。增强体TiCx 为层片状纳米结构，平均厚度为54 nm，且在Ti基体中分布均匀。TiCx 层片状纳米结构是由于自TiC 核心开始形成之时，其生长就受到了激光熔池中特有的“微观有效应力”抑制，使其难以长大，加之TiCx特有的晶体结构，TiCx 以层片状纳米结构生长。选区激光熔化SiC/Ti 复合粉末，原位制备了TiC/Ti5Si3 复合材料试件。当激光线能量密度η为800 J/m 时，SLM试件保持了良好的凝固组织连续性和均匀性，致密度达94.6%。因激光能量密度呈Gauss分布，激光作用的熔池中心及边缘将形成明显的温度梯度与化学浓度梯度，进而产生熔池表面张力梯度，故易出现成分过冷，导致原位生成的TiC 呈现枝晶状形貌。讨论了激光快速熔凝过程中TiC/Ti5Si3 复合材料的形成机理。

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文摘

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论文说明:图表目录

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第一章绪论

第二章TiC/Ti纳米复合粉末高能球磨制备及形成机理

第三章TiC/Ti5Si3纳米复合粉末高能球磨制备及原位形成机制

第四章选区激光熔化制备TiCx/Ti纳米复合材料及冶金机理

第五章选区激光熔化制备TiC/Ti5Si3复合材料试件及成形机制

第六章结论

参考文献

致谢

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