通过激光粉末床熔融技术制备的原位生成的纳米TiB2颗粒增强Fe基复合材料

《Materials Science and Engineering: A》：In-situ formed Nano TiB2 Particles Reinforced Fe Matrix Composites Fabricated via Laser Powder Bed Fusion

激光粉末床熔融（LPBF）结合计算流体动力学（CFD）模拟优化参数，制备出含1 vol.% TiB?纳米颗粒的铁基复合材料。通过调节激光功率（230 W）和扫描速度（600 mm/s），实现了熔池内TiB?纳米颗粒均匀分散，并形成非织构超细晶（0.7 μm）α-Fe基体。该纳米复合材料的屈服强度达892 MPa，抗拉强度923 MPa，延伸率25.9%，分别较传统铸造和热轧工艺提升98%、51%和72%。研究揭示了熔池内反冲压力与Marangoni对流对缺陷控制的关键作用，证实了纳米颗粒均匀分布与基体晶粒细化协同提升力学性能的机理。

　　

程瑞阳|乔泽|刘浩然|傅斌|柯玉娇|顾江龙|秦书阳|兹比格涅夫·布里坦|杜米特鲁·内德尔库|亚历山大·利谢茨基

燕山大学机械工程学院，中国秦皇岛，066004

摘要

在金属基复合材料中实现纳米颗粒的均匀分散仍然是一个基本挑战，因为颗粒聚集常常会导致微观结构不稳定和机械性能下降。本研究提出了一种基于计算流体动力学（CFD）模拟的激光粉末床熔融（LPBF）策略，用于制备含有1体积% TiB₂的铁基纳米复合材料。通过优化激光功率（180-300 W）和扫描速度（400-900 mm/s），有效控制了熔池行为。CFD模拟表明，反冲压力和马兰戈尼对流直接决定了缺陷的形成。在优化参数（230 W，600 mm/s）下，LPBF制备出了具有均匀分散的TiB₂纳米颗粒（约80 nm）的完全致密纳米复合材料，这些颗粒在非晶态的超细晶粒铁素体基体（约0.7 μm）中形成，这一点通过EBSD、TEM和SEM分析得到了验证。该复合材料表现出优异的机械性能，屈服强度约为892 MPa，极限抗拉强度约为923 MPa，延伸率约为25.9%。与传统的铸造和热轧工艺制备的Fe-20体积% TiB₂复合材料相比，这些性能指标分别提高了约98%、51%和72%。这种提升主要归因于熔池内反冲压力和马兰戈尼对流的协同效应，它们在快速凝固过程中促进了纳米颗粒的均匀分散。此外，LPBF固有的高冷却速率（10⁷ K/s）以及原位TiB₂纳米颗粒作为晶界钉扎点的作用显著细化了铁素体基体，从而使材料的机械性能得到提升。

引言

Fe-TiB₂复合材料因其出色的强度、硬度、导热性和耐磨性，在高模量钢、热加工工具钢和耐磨部件领域具有巨大潜力[1]。然而，传统的铸造方法（大规模生产的主要途径）受到微米级TiB₂固有脆性的限制，这限制了机械性能的进一步提升[2]、[3]、[4]。尽管将增强材料细化到纳米级是一种公认的策略，但在金属基体中实现纳米颗粒的均匀分散仍然是一个关键挑战，因为颗粒聚集容易引起微观结构不稳定和性能下降[5]。

激光增材制造（LAM）凭借其超高的冷却速率和精确的逐层沉积技术[6]、[7]、[8]、[9]，独特地结合了纳米级微观结构控制和大规模组件的近净成形[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，从而解决了纳米颗粒均匀分散和宏观精密制造的双重挑战。选择性激光熔化技术已经实现了大块纳米结构的Fe-TiB₂复合材料，但由于不理想的参数导致的孔隙率和裂纹仍然限制了其机械性能[15]。激光粉末床熔融（LPBF）生产的Fe-TiB₂复合材料具有优异的各向同性性能，这是因为原位形成的TiB₂颗粒在α-Fe基体中均匀分散；然而，混合原料的不规则粉末形态严重影响了流动性[16]、[17]。

LAM为制备高性能的大规模纳米结构Fe-TiB₂复合材料提供了一条可行的途径。然而，LAM本身的特点——快速的热传导、剧烈的温度梯度和循环热载荷——通过促进气体捕获孔隙、键孔空洞和凝固裂纹等冶金缺陷，严重影响了材料的可成形性，从而损害了结构完整性[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。尽管LAM中的缺陷形成和控制已经得到了广泛研究[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]，但对于复合材料的研究仍然有限，复杂的化学相互作用和异质相变从根本上改变了缺陷的形成机制。在Fe-Ti-B粉末系统中，原位反应过程中的能量交换进一步复杂化了缺陷演变路径。因此，阐明缺陷形成机制、建立工艺参数与缺陷之间的关联以及开发基于优化的控制策略对于可控制备纳米结构Fe-TiB₂复合材料至关重要。尽管初步的研究已经解决了增材制造过程中的增强颗粒分散问题，但人们对LPBF中基本颗粒流动动力学的系统理解仍然不足[32]。大多数研究都是基于后续表征来推断颗粒分布的，这排除了直接观察瞬态熔池运动的可能性，并可能引入偏差。最近的激光加工进展表明，基于模拟和数据的参数优化可以减少实验迭代次数并提高工艺性能[33]、[34]、[35]。数值模拟有助于阐明LPBF中熔池动力学控制的微观结构机制，从而为工艺优化提供了理论基础，并加深了对微观结构演变过程中热流体相互作用的理解[36]、[37]、[38]。

本研究结合了CFD指导的LPBF和系统实验，以阐明激光参数对Fe-TiB₂纳米复合材料的缺陷演变、微观结构和机械性能的影响。考虑到Fe₂B形成带来的脆化风险，Ottavi等人提出的过量Ti策略（Ti/B原子比>0.5）被采用来抑制脆性相并确保界面清洁。为了克服机械混合粉末的流动性限制，开发了完全整合的Fe-TiB₂复合粉末，其中每个颗粒都包含预合金化的成分，从而确保了化学均匀性和更好的扩散行为。基于熔池模拟和微观结构分析，建立了优化工艺、均匀纳米颗粒分散和微观结构细化之间的关联，从而获得了优异的机械性能。强化机制包括晶格摩擦应力（σ₀）、晶界强化（σ_G）、奥罗万强化（σ_O）和固溶强化（σ_SS）的贡献。此外，本研究还阐明了工艺参数与缺陷形成之间的关系，并揭示了熔池动力学在TiB₂分散和晶粒细化中的作用，为LPBF参数优化提供了实际指导。CFD模拟进一步减少了实验迭代次数，降低了制造成本。

材料制备

设计了目标名义共晶组成Fe-2.97Ti-0.18B（重量百分比）。其具体化学组成如表1所示，相当于α-Fe基体中1体积%的TiB₂（0.58重量百分比）。原料粉末（Fe-1体积%TiB₂复合粉末）是通过河北亿博新材料技术有限公司的真空感应气雾化（VIGA）工艺制备的。根据设计的组成，称量了高纯度Fe块、Ti箔和FeB块材

熔池模拟

为了准确捕捉不同打印参数下反冲压力和马兰戈尼涡流对TiB₂增强颗粒分布的影响以及熔池形态，本研究采用了DPM与CFD相结合的数值模拟方法。

在激光功率为300-380 W和扫描速度为200-400 mm/s的条件下，模拟捕捉到了粉末床上的瞬态喷射现象。图2展示了粉末床的形态和三维速度

讨论

通过使用VIGA工艺进行粉末制备和打印参数的优化，制备出了具有高密度结构和优异机械性能的纳米结构Fe-1体积% TiB₂复合材料。在优化参数下打印的样品表现出优异的σ_YS，这归因于α-Fe基体微观结构中均匀分散的原位形成的TiB₂颗粒。这种显著的σ_YS可以归因于以下强化机制：σ₀、σ_G、σ_O

结论

本研究通过数值模拟分析了不同工艺参数对熔池形态的影响。根据模拟结果，设计了一组合适的打印参数，并确定了最佳工艺参数（230 W，600 mm/s）。通过LPBF技术成功制备出了具有均匀分散的原位纳米TiB₂颗粒的纳米结构铁基复合材料。制备的Fe-1体积% TiB₂复合材料表现出优异的机械性能

作者贡献声明

柯玉娇：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。顾江龙：验证、监督。秦书阳：监督、正式分析。兹比格涅夫·布里坦：正式分析。乔泽：方法论、研究。刘浩然：验证。傅斌：验证。杜米特鲁·内德尔库：概念构思。亚历山大·利谢茨基：正式分析。程瑞阳：撰写——初稿、验证、正式分析

未引用参考文献

[58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72].

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据可应要求提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢中央政府指导的地方科技发展基金项目（项目编号：246Z1026G）和河北省自然科学基金（编号：E2021203074）的支持。