磁场辅助增材制造TiB+TiC增强钛基复合材料的力学性能优化

为解决钛基复合材料(TMCs)在激光定向能量沉积(L-DED)过程中因柱状晶生长和陶瓷增强相分布不均导致的强度-塑性失衡问题，研究人员通过原位磁场(MF)辅助技术调控熔池对流与微观结构，成功将TiB/TiC增强TMCs的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别提升21%、24%和23%，达到938 MPa、1032 MPa和9%。该研究为多机制协同强韧化提供了新策略。

　　

在航空航天和海洋工程领域，对复杂形状金属构件的需求日益增长，推动着增材制造(AM)技术的快速发展。其中，激光定向能量沉积(L-DED)因其高材料利用率、成分灵活性和成形效率优势备受关注。然而，L-DED制备的钛合金普遍存在柱状晶外延生长问题，这种由快速熔凝过程导致的粗大柱状晶结构严重制约了材料强度-塑性的协同提升。尽管通过添加TiB/TiC等陶瓷相可显著提高强度，但传统方法往往伴随增强相团聚、界面结合弱化及塑性急剧下降等新问题。

针对这一挑战，中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性地将原位磁场(MF)引入L-DED工艺，系统研究了MF对Ti-6Al-4V基体复合材料的调控机制。研究人员采用45-105 μm粒径的CP-Ti和B₄C粉末作为原料，通过3 wt% B₄C掺杂原位生成TiB晶须和TiC颗粒增强相，对比分析了常规L-DED与MF辅助制备样品的微观结构演变规律与力学性能差异。

关键技术方法
研究通过激光定向能量沉积系统集成电磁发生装置，在沉积过程中施加横向稳恒磁场。采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向，结合扫描电镜(SEM)观察TiB/TiC分布形态，通过原位X射线衍射追踪相变过程。力学性能测试包括室温拉伸试验和显微硬度测量，辅以断口形貌分析揭示断裂机制。

Results and discussion

1. 微观结构演变：MF使枝晶形态从断续枝晶转变为致密的枝晶-胞晶混合结构，α-Ti基体中TiB晶须长径比降低46%，TiC颗粒分布均匀性提升。洛伦兹力诱导的强制熔池对流形成局部环流，促进等轴晶形成，整体织构强度降低38%。
2. 强化机制：MF细化晶界结构产生晶界强化效应，同时均匀分布的陶瓷集群激活弥散强化，与低长径比TiB晶须的应力传递协同作用，使屈服强度提升至938 MPa。
3. 塑性改善：裂纹尖端应力松弛和偏转机制使延伸率恢复至9%，较无MF样品提高23%，打破传统TMCs强度-塑性此消彼长的困局。

Conclusions
该研究证实磁场辅助L-DED可同步优化钛基复合材料的微观组织与力学性能：电磁力破碎枝晶尖端增加形核位点，熔池对流抑制柱状晶生长，最终实现强度与塑性的协同提升。Wenshan Guo和Zhen Li团队的工作为航空航天用高性能金属构件的多尺度结构调控提供了新思路，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。研究不仅解决了B₄C掺杂导致的塑性损失问题，更通过磁场-熔池交互作用机制的阐明，为外场辅助增材制造技术奠定了理论基础。