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激光选区熔化成形微纳复相结构增强铝基复合材料的组织调控机理及其强韧化机制研究

批准号:
52105385
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王沛
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王沛

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
激光选区熔化技术(SLM)所制备的高性能陶瓷增强型铝基复材在航空航天等关键领域有重要应用,但协同提升复材的强韧性已成为推动该类材料深入应用的瓶颈。目前,通过增强相有序结构化分布和微纳复相复合实现强韧化的理念已在传统铝基复合材料设计中得到肯定。因而,本项目拟以TiB2/Al-5Cu为研究对象,创新地将这两种理念同时运用到高强韧性SLM TiB2/Al-5Cu的研发中。通过深入研究成形过程中TiB2迁移行为、晶粒-长大机制、各相分布规律和时效热-动力学机制等问题,实现成形工艺和后期热处理对近全致密SLM TiB2/Al-5Cu复合材料的结构化微纳复相组织的调控,并阐明调控机制;基于跨尺度力学分析,通过研究相/基界面交互作用、应力下裂纹演化规律,微结构韧化作用等问题以提升材料高强韧性,并基于混合定律揭示强韧化机制,为高性能SLM铝基复材设计和制造提供理论和实验依据。
英文摘要
High-performance aluminum matrix composites (AMCs) reinforced with ceramics fabricated by selective laser melting (SLM) have important applications in key fields like aeronautics and astronautics. However, the synergistic improvement of strengthening-toughening properties of SLM AMCs has become a bottleneck for their further applications. At present, the concept of the architectural design and micro/nano multi-phases modification for the improved strengthening-toughening properties has been affirmed in the traditional AMCs design. Therefore, this project will focus on TiB2/Al-5Cu fabricated by SLM and innovatively apply these two concepts together to study SLM TiB2/Al-5Cu with high strengthening-toughening properties. According to the research on the migration behavior of TiB2 phase, grain-growth mechanism, the phase distribution, and the aging thermo-dynamic mechanism, the architectural microstructure with micro/nano multi-phases of near-fully dense SLM TiB2/Al-5Cu composites can be tailored by the processing parameters and post-heat treatment, thereby clarifying the adjustment rules for the specific microstructure. According to the trans-scale mechanical analyses, research on some problems (like the interfacial interaction between the reinforcements and the matrix, the crack evolution under the stress and toughness caused by architectural toughness) is helpful to improve strengthening-toughening properties, thereby clarifying the strengthening-toughening mechanisms based on the rule of mixture. This project can provide a scientific and experimental fundamental on the design and processing of SLM AMCs with high performance.
本研究旨在通过激光粉末床熔融(LPBF)技术和多材料激光粉末床熔融(MM-LPBF)技术实现TiB₂/Al-5Cu复合材料的显微组织空间结构化,以提升其力学性能和热稳定性。.(1)通过机械混合和球磨工艺制备了不同体积分数的TiB₂/Al-5Cu复合粉末,并利用LPBF技术制备了M-ACTB和BM-ACTB复合材料。结果显示,添加1 vol.% TiB₂颗粒后,复合材料的显微组织和晶粒细化效果显著,晶粒尺寸从61 ± 25 μm减少到21 ± 12 μm和23 ± 15 μm。LPBF M-ACTB复合材料的压缩屈服强度为186 ± 3 MPa,较LPBF Al-5Cu合金提高了8%,但显微组织中未观察到增强相的空间结构化分布。.(2)为进一步实现增强相的空间结构化,本研究引入了MM-LPBF技术,通过在打印过程中按需更换不同材料,成功制备了具有层状异构结构的TiB₂/Al-5Cu复合材料。TiB₂颗粒分布在软区和硬区之间形成了明确的区域化分布,且界面结合良好,未观察到明显的裂纹或气孔缺陷。依据组织设计,MM-LPBF复合材料沿构建方向展现出软-硬周期性硬度分布,且沿构建方向和成型方向的压缩屈服强度表现出各向异性,这为设计定制化性能的金属基复合材料提供了新的技术手段。.(3)此外,研究还探讨了T6热处理对复合材料显微组织和力学性能的影响。T6热处理后,LPBF Al-5Cu合金中析出细小Al₂Cu相,压缩屈服强度从106 MPa提高到124 MPa。然而,对于TiB₂/Al-5Cu复合材料,T6热处理后其硬度和压缩屈服强度有所下降,归因于粗大Al₂Cu相对复合材料力学性能的负面影响。显微组织分析表明,TiB₂颗粒的钉扎作用抑制了晶粒的长大,但在晶界处析出了粗大的Al₂Cu相,对力学性能产生了不利影响。.综上所述,本研究通过MM-LPBF技术成功实现了TiB₂/Al-5Cu复合材料的显微组织空间结构化,显著提升了复合材料的力学性能。本项目所涉及的多材料激光粉末床熔融技术可以实现高性能结构-功能一体化金属基复合材料及其构件制备的难题,在航空航天、核能电力、机械重工等相关领域的关键部件中都有应用,对增强我国国防安全和国家综合实力提升具有重大意义。
激光选区熔化TiB2/AA2024复合材料的空间结构化组织调控及强化机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    王沛
  • 依托单位:
国内基金
海外基金