通过混合激光-电弧定向能量沉积技术制备的微米级TiC增强新型马氏体高强度钢的微观结构与力学性能

《Applied Materials Today》：Microstructure and mechanical properties of micron-TiC reinforced novel martensitic high-strength steel via hybrid laser-arc directed energy deposition

采用激光电弧增材制造技术制备了TiC增强高强钢复合材料，研究了3%和6% TiC添加量对材料微观结构和力学性能的影响。结果表明，3% TiC优化熔池流动与凝固，减少表面粗糙度，并通过晶粒细化、位错强化、奥罗万强化和析出强化机制提升材料性能；而6% TiC导致熔池不稳定和粒子团聚，降低塑性并改变断裂模式。该技术为低成本高性能金属基复合材料的大规模制造提供了新方法。

　　在当今快速发展的制造业中，高强钢因其卓越的性能和经济性，已成为航空航天、交通运输以及建筑行业的重要材料。随着增材制造技术的不断进步，研究者们开始探索如何通过改进制造工艺和材料结构，进一步提升高强钢的综合性能。特别是在复合材料领域，通过引入强化相来优化材料的微观结构和宏观性能，已成为一种有效的策略。本研究聚焦于一种新型的高强钢基复合材料，采用混合激光-电弧定向能量沉积（HLADED）技术，并结合层间涂覆方法，成功制备了含有不同含量钛碳化物（TiC）的复合材料。这项研究不仅解决了传统增材制造技术（如选择性激光熔化SLM和激光定向能量沉积LDED）在大部件制造中所面临的挑战，还通过混合能量输入和原位微合金化，实现了更精细的微观结构控制和更优越的机械性能。

在本研究中，我们系统地探讨了TiC添加量对复合材料宏观形态、微观结构和机械性能的影响。通过实验，我们发现3%的TiC添加量可以显著优化熔池的流动性和凝固行为，从而减少表面粗糙度并促进层间结合的完整性。相比之下，6%的TiC添加量则会导致熔池不稳定，降低成形质量。此外，随着TiC含量的增加，晶粒尺寸减小，从13.54 μm减少至10.94 μm，同时促进了从柱状晶向等轴晶的转变。这一变化使得奥氏体相的比例增加，析出物增多，位错密度提升，以及高角度晶界数量增加。这些现象表明，晶粒细化强化、位错强化、Orowan强化以及析出强化等机制在提升材料性能方面起到了关键作用。

研究还揭示了软化效应与强化机制之间的竞争关系。随着TiC含量的增加，奥氏体相的比例上升，而奥氏体相具有较高的延展性和较低的强度，这可能导致材料的初始强度和硬度下降。然而，随着TiC含量进一步增加，强化机制的增强作用超过了软化效应的影响，从而使得材料的强度和硬度呈现先降后升的趋势。同时，当TiC含量增加至6%时，粒子出现聚集现象，这会改变材料的断裂机制，使其向脆性-韧性混合模式转变，进而降低材料的延展性。

在材料制备过程中，HLADED技术的使用显著提升了能量输入效率，改善了熔池的流动性和尺寸控制，从而增强了TiC粒子的分散均匀性。相比SLM、DED和LDED等传统技术，HLADED在制造成本、生产效率和适应性方面展现出明显优势，使其成为大规模工业制造复杂金属基复合材料（MMCs）的理想选择。此外，激光与电弧的协同作用还提高了电弧燃烧的稳定性和沉积过程的一致性，最终提升了制造质量。

在本研究中，我们采用了一种创新的制造方法，通过混合激光-电弧定向能量沉积（HLADED）技术，结合层间涂覆工艺，成功制备了含有不同含量TiC的高强钢基复合材料。这种方法不仅克服了传统增材制造技术在大部件制造中的局限性，还实现了对材料微观结构的精细控制，从而显著提升了材料的机械性能。研究结果表明，TiC的添加不仅有助于优化材料的微观结构，还能通过多种强化机制提高其整体性能。同时，研究还揭示了在不同TiC含量下，材料的宏观形态、微观结构和机械性能的变化趋势，为未来高强钢基复合材料的开发和应用提供了重要的理论依据和实验数据支持。

为了进一步验证这些结论，我们对材料的宏观形态进行了详细分析。图2展示了不同TiC含量下HLADED制造的部件侧壁形态。绿色和黄色区域代表材料表面的凸起（正值），而蓝色区域代表凹陷（负值）。由于HLADED的层状制造特性，不含TiC的部件呈现出明显的阶梯状纹理，称为“阶梯效应”。然而，当添加3%的TiC后，表面粗糙度显著降低，层间结合更加紧密，这表明TiC的引入有助于改善材料的表面质量。相比之下，当TiC含量增加至6%时，表面形态变得不规则，甚至出现裂纹，这可能是由于熔池不稳定和粒子聚集所导致的。

在微观结构方面，图4和图5展示了TiC在高强钢基复合材料中的均匀分布。这种均匀性得益于激光对熔池流体动力学的优化作用。图11(a)进一步说明了激光在熔池中产生的温度梯度（G）通常达到10^6 K/m，显著高于电弧产生的温度梯度，后者仅为一个到两个数量级。这种高温度梯度有助于控制熔池的凝固行为，从而实现更精细的晶粒结构。随着TiC含量的增加，材料的晶粒尺寸减小，从柱状晶向等轴晶转变，同时奥氏体相的比例增加，析出物增多，位错密度提高，以及高角度晶界数量增加。这些变化表明，TiC的引入不仅改变了材料的微观结构，还通过多种机制提升了其机械性能。

研究还探讨了TiC含量对材料断裂机制的影响。当TiC含量增加至6%时，由于粒子聚集，材料的断裂机制由纯脆性转变为脆性-韧性混合模式，这在一定程度上降低了材料的延展性。因此，在优化材料性能时，需要在TiC含量和材料延展性之间找到平衡点。此外，研究还发现，随着TiC含量的增加，材料的硬度和强度呈现出先降后升的趋势，这表明在特定的TiC含量范围内，强化机制的增强作用超过了软化效应的影响。

在制造工艺方面，HLADED技术的使用不仅提高了制造效率，还增强了材料的成形质量。激光与电弧的协同作用使得熔池的流动性和尺寸得到了更好的控制，从而提高了TiC粒子的分散均匀性。此外，HLADED技术在制造成本、生产速率和适应性方面展现出显著优势，使其成为大规模工业制造复杂金属基复合材料的理想选择。相比传统的增材制造技术，HLADED在制造过程中能够实现更精细的微观结构控制，从而显著提升材料的机械性能。

在本研究中，我们还对材料的制造参数进行了优化。通过调整激光功率、扫描速度和电弧电流等参数，我们成功控制了熔池的流动性和凝固行为，从而实现了对材料微观结构的精细调控。此外，研究还发现，TiC的添加不仅改变了材料的微观结构，还通过多种机制提升了其整体性能。例如，TiC的引入可以促进晶粒细化，提高位错密度，以及增加析出物的数量，这些变化均有助于提升材料的强度和硬度。

综上所述，本研究通过HLADED技术制备了含有不同含量TiC的高强钢基复合材料，并系统地分析了TiC含量对材料宏观形态、微观结构和机械性能的影响。研究结果表明，适度的TiC添加量（3%）可以显著优化熔池的流动性和凝固行为，从而减少表面粗糙度并促进层间结合的完整性。然而，过量的TiC添加量（6%）会导致熔池不稳定，降低成形质量，并改变材料的断裂机制。因此，在优化材料性能时，需要在TiC含量和材料延展性之间找到平衡点。同时，研究还揭示了在不同TiC含量下，材料的硬度和强度呈现出先降后升的趋势，这表明在特定的TiC含量范围内，强化机制的增强作用超过了软化效应的影响。这些发现为未来高强钢基复合材料的开发和应用提供了重要的理论依据和实验数据支持。