激光扫描速度对SiC/Ti复合材料微观结构与力学性能的调控机制及优化研究

本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）制备SiC/Ti复合材料过程中扫描速度对微观结构及性能的影响机制展开探索。研究人员通过调控激光扫描速度（100-1400 mm/s），系统分析了SiC颗粒对钛基体异质形核、晶粒细化的促进作用，发现最佳参数组合（140 W，1000 mm/s）下材料相对密度达峰值，屈服强度（1097 MPa）和硬度提升70%，并揭示了TiC/Ti5Si3新相的形成机制。该研究为航空航天领域高强轻量化复合材料制备提供了工艺优化依据。

　　

在航空航天领域，纯钛（Ti）因强度不足易发生结构失效，而传统铸造、锻造工艺难以制备复杂构件。激光粉末床熔融（LPBF）虽能实现精密成形，但高含量SiC（>5 wt%）引发的Ti₅Si₃脆性相会导致材料开裂，低含量SiC/Ti复合材料的性能调控机制尚不明确。安徽高校团队通过LPBF制备1 wt% SiC/Ti复合材料，首次阐明扫描速度通过熔池凝固速率影响SiC颗粒的异质形核效应，为平衡材料强韧性提供新思路。

研究采用行星球磨混粉制备SiC/Ti复合粉末，通过LPBF参数优化（功率140-200 W，速度100-1400 mm/s）构建梯度样品。采用X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）分析相组成与晶界分布，通过纳米压痕和往复摩擦试验评估力学性能，结合扫描电镜（SEM）观察磨损形貌。

相对密度与物相鉴定
在1000 mm/s速度下获得最高相对密度（99.2%），XRD显示TiC和Ti₅Si₃新相峰强随速度提升而增强，证实SiC与熔融Ti的反应活性受凝固速率调控。

微观结构演变
EBSD分析表明，800 mm/s速度下α-Ti晶粒尺寸最小（3.2 μm），SiC颗粒使形核位点密度增加5倍，但速度超过1200 mm/s时因热输入不足导致未熔SiC聚集。

力学与摩擦学性能
最优参数组（1000 mm/s）的维氏硬度达498 HV，较纯Ti提升72%；磨损率降低至4.7×10^-7 g/Nm，摩擦系数下降38%，SEM显示磨损机制从粘着磨损转变为轻微磨粒磨损。

讨论与结论
研究揭示扫描速度通过体积能量密度（VED）调控熔池动力学：低速导致元素蒸发形成气孔，高速则抑制SiC分解反应。最佳VED窗口（80-120 J/mm³）实现TiC弥散强化与晶界强化的协同效应。该成果发表于《Optics》，为LPBF制备低脆性SiC/Ti复合材料确立工艺标准，推动其在航空发动机叶片等耐高温部件中的应用。作者Jun Fang团队指出，后续需研究多尺度SiC（纳米/微米级）混合增强策略以进一步提升断裂韧性。