華南理工：激光增材制造優異強韌性金屬基復合材料，抗拉強度達1.6GPa！
陶瓷增強金屬基復合材料MMCs廣泛應用于航空、航天、交通等領域，因為它可以提高金屬基體的強度、硬度和耐磨性，同時保持良好的韌性、高溫蠕變性能和疲勞強度。此類材料主要采用鑄造和粉末冶金方法生產，面臨著模具成本高、交貨時間長、幾何約束等問題。3D打印可以靈活地原位合金化多種類型的粉末，這突出了開發具有復雜幾何形狀高性能復合材料的潛力。
激光粉末床熔融LPBF增材制造的最新進展為陶瓷增強金屬基復合材料的發展開辟了一條新途徑。獨特的逐層工藝方式簡化了復合材料制造的工藝路線和交貨時間。采用SLM技術制造陶瓷增強金屬基復合材料有以下優勢：
1.第二相強化和晶粒細化。陶瓷顆粒具有較低的密度和熱膨脹系數，以及較高的硬度、模量和強度。添加陶瓷顆粒可以提高金屬基體的強度、硬度和耐磨性。此外，陶瓷（尤其是納米級陶瓷顆粒）可以作為異質形核位點，從而阻礙晶粒的生長和細化凝固晶粒。除此之外，熔池凝固過程中的高冷卻速度有利于形成細晶粒，可以進一步提高強度和硬度。
2.提高激光吸收率。激光吸收率對SLM形成質量有重要影響。在1060nm波長的激光下，陶瓷對激光的吸收率高于金屬。因此，這些陶瓷的加入可以提高金屬基體的激光吸收率，從而有效提高成形效率及零件性能。
3.提高零件的成型質量。使用陶瓷顆粒可以改善熔池穩定性和液相的粘度，從而提高制件機械性能。同時，激光加工過程中陶瓷和金屬之間的原位放熱反應可以提高熔池的溫度并提高零件的密度。此外，陶瓷顆粒還能阻礙裂紋擴展，這對于提高機械性能至關重要。
華南理工大學機械與汽車工程學院、廣東省科學院新材料研究所、武漢理工大學材料合成與加工先進技術國家重點實驗室等單位的研究人員提出通過加入SiC顆粒可以誘導C300馬氏體時效鋼（MS）原位析出相的形成，從而制備出SiC和原位析出相雙相增強的MS基復合材料。相關研究成果以題為 “Duplex strengthening via SiC addition and in-situ precipitation in additively manufactured composite materials” 發表在復合材料學科頂級期刊《Composites Part B: Engineering》。
論文鏈接：doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109820
與以往研究中主要通過陶瓷顆粒強化金屬基復合材料不同，本工作研究了SiC增強沉淀硬化鋼以引發原位沉淀并促進雙相強化，通過激光粉末床熔融LPBF技術制備的馬氏體金屬基復合材料的抗拉強度和屈服強度分別達到1.6Gpa和 1.2Gpa，相比基體材料分別提高了38%和29%，同時保持了10.1%的延伸率。
目前采用LPBF技術加工的陶瓷增強金屬基復合材料可分為異位制備和原位制備兩種方法。異位制備是將陶瓷顆粒與金屬粉末直接混合，然后進行LPBF打印。由于增強材料和基體之間的物理不匹配，以及在陶瓷顆粒表面形成氧化膜，通過異位方法形成的復合材料可能會遇到界面結合問題。相比之下，原位方法通過兩種或多種原材料之間的化學反應在基體中形成強化相，從而實現穩定的熱力學性能和更均勻的強化顆粒分布。此外，原位制備可以避免氧化，從而提高界面結合強度，并且可以獲得比非原位制造更好的機械性能。
與現有主要由陶瓷顆粒增強的3D打印陶瓷增強金屬基復合材料不同，華南理工大學的團隊研究了通過添加陶瓷顆粒的原位觸發沉淀，這促進了金屬基體的雙相強化（陶瓷顆粒+沉淀物）。選擇馬氏體時效鋼作為基體，因為其在熱處理后可以通過金屬間化合物實現沉淀硬化。研究人員推測，這些沉淀物可以通過添加陶瓷顆粒后在LPBF過程中原位異相成核。碳化硅因其高模量和硬度、較低的密度和良好的激光吸收而被選為增強陶瓷。SiC和Fe在1060nm波長激光下的激光吸收率分別為0.78和0.64，這表明根據復合粉末中吸收率的混合規則，添加SiC可以提高馬氏體時效鋼的激光吸收率。此外，SiC與鐵具有良好的潤濕性，可以抑制復合過程中棘手的界面鍵合問題。團隊人員對SiC的含量對致密化的影響行為、微觀結構演變、沉淀動力學、機械性能和底層強化機制進行了研究。
研究結論
1. 復合材料的激光成形性隨著SiC添加量的增加而降低。12% 的SiC添加量時樣件的致密度超過99.4%。當添加量為15 vol%或更高時，會觀察到明顯的缺陷（如大孔和毫米大小的裂紋）。此外，輕質SiC 的添加降低了復合材料的密度，從而提高了比強度。
2. SiC的添加對顯微組織有顯著影響。添加SiC后，微觀結構形態從胞狀結構變為樹枝狀結構。在沒有后熱處理的情況下觀察到大量納米沉淀物，由于SiC顆粒和位錯可以作為優先成核位點，因此可以通過異相成核原位形成。沉淀動力學分析表明，添加SiC提高了成核速率。SiC顆粒可能與基質和原位形成的化合物顆粒發生部分反應。殘余應力隨碳化硅含量的增加而增加，碳化硅促進了奧氏體相的形成。
3. 新制備的復合材料的硬度和強度隨著SiC添加量的增加而增加。12% 的SiC添加量時樣件的硬度達到438 HV0.1，同時達到了約1.2 GPa的最大屈服強度，相比基體馬氏體鋼相比增加了約29%。此外，3%SiC添加量時樣件實現了最高的抗拉強度1.6GPa，增加了約38%。
總體來說，華南理工大學的團隊所采用的與現有主要由陶瓷顆粒增強3D打印陶瓷增強金屬基復合材料不同的制備方法，使材料的最高屈服強度和抗拉強度分別大幅度提高。潛在的強化機制包括析出物和SiC顆粒雙相第二相強化以及位錯強化。
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