激光粉末床熔融TiC增强AZ91D镁基复合材料的耐磨与耐腐蚀性能研究

本研究针对镁合金在极端环境下表面性能不足的问题，通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备TiC增强AZ91D镁基复合材料，系统探究了TiC添加对材料致密度、微观结构、耐磨性及电化学腐蚀性能的影响。结果表明，TiC的引入显著降低孔隙率至0.04%，促进Mg17 Al12 析出，使晶粒细化至～4.2?μm，并提升硬度（108?±?1 HV0.2 ）和耐磨性（磨损率降低39%）。该研究为极端环境用高性能镁基复合材料的激光增材制造提供了新思路。

　　

镁合金因其高比强度、优异的电磁屏蔽性能，在航空航天等领域具有广阔应用前景。然而，传统镁合金存在硬度低（～71 HV）、耐磨性差、易腐蚀等问题，尤其在极端环境下性能衰减严重。如何通过材料设计与先进制造技术协同提升其表面性能，成为当前研究热点。激光粉末床熔融（LPBF）技术凭借高精度、自由设计等优势，为复杂结构镁合金构件制造提供了新途径，但其快速熔凝特性对材料微观组织与性能的影响机制尚不明确。此外，陶瓷增强相（如TiC）的引入虽可改善性能，但传统制备方法易导致颗粒团聚，而LPBF工艺下TiC与镁基体的相互作用规律及其对耐磨/腐蚀性能的影响缺乏系统研究。

针对上述问题，南京理工大学的研究团队通过LPBF技术制备了TiC增强AZ91D镁基复合材料，系统研究了TiC对材料性能的影响机制，相关成果发表在《Materials》上。研究采用X射线断层扫描（X-ray CT）分析孔隙分布，结合扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）表征微观结构，通过纳米压痕、摩擦磨损测试及电化学工作站评估力学与腐蚀性能。

3.1 孔隙率分析
X-ray CT显示，TiC添加使复合材料孔隙率降至0.04%（较基体合金降低92%），归因于TiC颗粒提高粉末床稳定性并增强激光吸收率，减少熔池气孔形成。

3.2 微观结构表征
复合材料呈现α-Mg基体、TiC颗粒（0.68–3.7?μm）、网状β-Mg₁₇
Al₁₂
（0.08–0.65?μm）及Al₈
Mn₅
纳米颗粒的多相结构。TiC促进柱状晶向等轴晶转变，平均晶粒尺寸减小41%至～4.2?μm，归因于TiC作为异质形核点及晶界钉扎效应。

3.3 力学与摩擦学性能
复合材料弹性模量（54?±?1 GPa）和硬度（108?HV_0.2
）显著提升。摩擦系数随载荷增加而降低，20?N下磨损率降至0.54×10^-3
mm³
N^-1
m^?1
，磨损机制由磨粒磨损转变为氧化磨损，归因于TiC硬质相支撑及表面MgO润滑膜形成。

3.4 腐蚀行为
电化学测试表明，复合材料在3.5 wt% NaCl溶液中腐蚀电流密度（47.9 μA/cm²
）高于基体（25.3 μA/cm²
），但腐蚀形貌更均匀。β-Mg₁₇
Al₁₂
与基体间的微电偶腐蚀是导致耐蚀性略降的主因，而致密化与晶粒细化促进了腐蚀膜均匀性。

该研究证实，LPBF制备的TiC/AZ91D复合材料通过孔隙调控、晶粒细化与多相协同强化，实现了耐磨性（磨损率降低39%）与腐蚀均匀性的同步优化，为极端环境用镁基材料的激光增材制造提供了理论依据与技术支撑。尽管TiC添加略微牺牲了耐蚀性，但其通过诱导氧化磨损机制显著延长了部件服役寿命。未来可通过优化TiC含量与界面设计，进一步平衡材料强韧性与耐蚀性。