层间喷涂TiC颗粒对WAAM（焊接增材制造）制备的镁基复合材料力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of interlayer-sprayed TiC particulates on the mechanical properties of WAAM-fabricated magnesium matrix composites

本研究采用中间层喷涂1% TiC/酒精悬浮液的冷金属转移逐层熔化制造技术制备TiC/AZ31镁基复合材料，发现悬浮液浓度增加至5%时晶粒尺寸增大，而1%浓度下TiC颗粒均匀分布并细化晶粒，使抗拉强度达258.1 MPa，延伸率18.6%，较纯AZ31合金分别提升37.7%和100%。

　　在现代材料科学和先进制造技术的快速发展背景下，镁合金因其轻质、高强度和良好的阻尼性能，成为航空航天和汽车工业中的重要材料。然而，镁合金的六方密堆积（HCP）晶体结构在常温下表现出有限的塑性变形能力，这不仅限制了其应用范围，也增加了制造复杂结构件的难度和成本。传统的加工方法如铸造、锻造、挤压和焊接虽然广泛使用，但它们通常伴随着一些固有的缺陷，如局部缺陷、较长的生产周期、较低的生产效率以及较差的材料利用率。这些问题促使研究者转向更为先进的制造技术，如增材制造（Additive Manufacturing, AM），以解决镁合金加工中的瓶颈。

增材制造作为一种新兴的制造技术，为复杂结构件的快速制造提供了新的可能性。与传统的加工方式相比，AM技术可以通过逐层沉积的方式，直接构建出具有复杂几何形状的零件，无需外部模具或工具。然而，在应用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）等AM技术处理镁合金时，由于镁粉对激光的高反射性，导致热量吸收不均，容易形成气孔等缺陷，进而影响最终零件的机械性能。此外，镁合金粉的高反应性和氧化倾向也增加了加工过程中的安全风险。相比之下，冷金属转移电弧增材制造（Cold Metal Transfer Wire Arc Additive Manufacturing, CMT-WAAM）技术因其较低的热输入，成为处理热敏感材料如镁合金的理想选择。CMT-WAAM不仅能够有效减少因热量不均导致的缺陷，还能降低熔池与周围材料之间的热梯度，从而减少残余应力和变形，提高零件的尺寸精度。

尽管CMT-WAAM在镁合金加工中展现出诸多优势，但当前的研究表明，该技术制备的镁合金仍面临一些挑战。例如，其组织结构往往呈现粗大的柱状晶，这限制了材料的性能提升。因此，研究者正在探索通过引入陶瓷增强相来优化镁合金的微观结构和机械性能。其中，碳化钛（TiC）作为一种常见的陶瓷增强材料，因其高硬度、良好的热稳定性以及与镁基体的相容性，成为研究的重点。

本研究通过电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）技术，在CMT-WAAM过程中采用TiC/酒精悬浮液作为增强相，以实现对镁合金基体的强化。通过层间喷涂策略，TiC颗粒能够在沉积过程中均匀分布在AZ31基体中，形成稳定的增强复合材料。研究团队利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）以及电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）等手段对复合材料的微观结构进行了详细表征，并通过静态拉伸试验评估了其力学性能。

研究结果表明，随着TiC/酒精悬浮液浓度从0%（无添加）增加到1%和进一步增加到5%，TiC/AZ31复合材料的平均晶粒尺寸呈现出先减小后增大的趋势。具体而言，当悬浮液浓度为1%时，复合材料的平均晶粒尺寸从约23.6微米减少到约17.6微米，随后在5%浓度时，晶粒尺寸又增加至约48.9微米。这一现象的出现，与层间喷涂过程中产生的温度梯度密切相关。层间喷涂策略通过在沉积过程中引入TiC颗粒，提高了温度梯度，从而促进了初始粗大的柱状晶向等轴晶的转变。同时，TiC颗粒的引入还有效减少了颗粒在基体中的聚集现象，使其能够均匀分布，从而进一步改善了晶粒结构。

进一步分析表明，在1%浓度的TiC/酒精悬浮液喷涂材料中，出现了更多的纳米级Al?Mn?相，并且β-Mg??Al??相的体积分数显著减少。这种组织结构的演变不仅提升了复合材料的强度，还增强了其塑性性能。最终，TiC/AZ31复合材料在拉伸测试中表现出约258.1兆帕的抗拉强度和18.6%的延伸率。相比传统的WAAM加工AZ31合金，其抗拉强度和延伸率分别提高了37.7%和100%。这些显著的性能提升表明，通过合理的增强相设计和工艺优化，可以有效改善镁合金的力学性能。

在材料方面，本研究选用的AZ31镁合金焊接丝直径为1.2毫米，化学成分如表1所示。基板则采用尺寸为200 × 150 × 15毫米的AZ31镁合金板。TiC增强颗粒的原始形态和尺寸分布如图2a所示，呈现出不规则的形态。在沉积过程中，通过层间喷涂策略，TiC颗粒能够在基体中均匀分布，从而实现对材料性能的优化。

在微观结构演变方面，研究发现，TiC增强相的引入显著减少了AZ31基体中不规则且延伸的β-Mg??Al??相。取而代之的是，更多的细小、明亮的白色析出相出现在晶界处。这一现象可以归因于TiC与基体之间的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）存在显著差异，导致在沉积过程中产生较高的位错密度。位错密度的增加有助于晶粒的细化，并促进材料的塑性变形能力。此外，TiC颗粒在沉积过程中还能够作为异质形核中心，进一步优化材料的微观结构。

研究团队通过一系列实验和分析，揭示了TiC增强相对镁合金微观结构和力学性能的具体影响。结果表明，TiC颗粒的引入不仅能够有效改善材料的强度和塑性，还能通过优化晶粒结构来提升其整体性能。特别是在1%浓度的TiC/酒精悬浮液喷涂材料中，TiC颗粒的均匀分布和异质形核作用使得晶粒尺寸显著减小，从而提升了材料的力学性能。

综上所述，本研究通过电弧增材制造技术，结合层间喷涂策略，成功制备了TiC/AZ31复合材料。实验结果表明，TiC增强相的引入能够有效改善镁合金的微观结构和力学性能，特别是在控制颗粒分布和晶粒尺寸方面表现出显著优势。研究团队通过深入的材料表征和力学性能测试，揭示了TiC增强相对镁合金性能提升的机制，并为未来镁合金复合材料的开发提供了重要的理论依据和技术支持。这些研究成果不仅拓展了增材制造在镁合金加工中的应用前景，也为高性能轻量化材料的制备提供了新的思路和方法。