激光定向能量沉积Ti65/1.0TiB2复合材料的能量密度调控：孔隙率、微观结构与力学性能的协同优化

针对航空航天用钛基复合材料(TMCs)制备中存在的孔隙缺陷和增强相分布不均问题，研究人员通过激光定向能量沉积(LDED)技术系统研究了能量密度对Ti65/1.0TiB2(wt%)复合材料的影响。发现中等能量密度下TiB晶须(TiBw)沿β晶界均匀分布形成网络结构，使材料获得最佳力学性能，为优化激光增材制造工艺提供了重要依据。

　　

在航空航天领域，钛合金材料正面临着高温环境下性能不足的严峻挑战。传统钛合金在超过600℃时力学性能显著下降，而航空发动机叶片等关键部件却需要在更高温度下保持稳定。钛基复合材料(TMCs)通过引入陶瓷增强相，可将使用温度提升100-200℃，但传统制备方法存在增强相分布不均、孔隙缺陷多等问题。激光定向能量沉积(LDED)技术虽然能实现快速成形，却常因能量密度控制不当导致熔池不稳定，产生未熔合、气孔等缺陷，严重影响材料性能。

针对这一技术瓶颈，来自陕西某高校的研究团队在《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》发表了创新性研究成果。他们采用LDED技术制备Ti65/1.0TiB₂(wt%)复合材料，通过系统调控能量密度，成功实现了孔隙率控制和TiB晶须(TiBw)的精准分布。研究采用X射线断层扫描定量分析孔隙率，结合EBSD和TEM表征微观结构，并通过强化机制计算揭示了性能提升的本质原因。

粉末与球磨技术
采用平均粒径83μm的Ti65球形粉末与50nm TiB₂粉末混合，通过高能球磨实现均匀分散，为后续LDED制备奠定原料基础。

致密化行为
研究发现孔隙率随能量密度呈"V"型变化：在中等能量密度(TMC3)时达到最低0.22%，此时熔池流动性和气体逸出达到最佳平衡。低能量密度下主要存在未熔合缺陷，而高能量密度则因剧烈气液相互作用产生匙孔孔隙。

能量密度对微观结构的影响
能量密度显著调控TiBw分布模式：低能量密度时TiBw沿β晶界聚集；中等能量密度形成均匀的晶界网络结构；高能量密度时TiBw同时分布在晶界和晶内。TEM显示中等能量密度下TiBw具有更高长径比，这种准连续网络结构能有效阻碍位错运动。

力学性能与强化机制
拉伸测试表明中等能量密度样品具有最优综合性能，其屈服强度达1024MPa。强化机制计算显示晶粒细化强化贡献率达58%，其次是载荷传递强化(27%)和位错强化(15%)。网络结构的TiBw能诱导裂纹偏转和钝化，实现强度-塑性的协同提升。

该研究首次建立了LDED制备Ti65/1.0TiB₂复合材料"能量密度-孔隙率-微观结构-力学性能"的定量关系，提出的中等能量密度工艺窗口为航空航天用TMCs的激光增材制造提供了重要指导。特别是发现的TiBw网络结构调控规律，不仅适用于钛基复合材料，对其他金属基复合材料的激光制备也具有借鉴意义。研究成果对推动我国航空发动机关键部件的自主研制具有重要价值。