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激光熔化沉积TiC增强Ti6Al4V复合材料的组织及性能研究

摘要

由于航空航天等领域对Ti6Al4V合金提出更高的性能需求，常采用TiC作为增强

相，制备TiC增强Ti6Al4V（TiC/Ti6Al4V）复合材料，以提高Ti6Al4V合金的硬度、耐

磨性能和强度等性能。激光熔化沉积技术的高能量密度与快速近净成形复杂零件的能力

可解决钛基复合材料难以加工成型的问题，适用于TiC/Ti6Al4V复合材料的制备。然而，

复合材料中未溶TiC的不均匀分布、大尺寸的链条状共晶TiC与枝晶状初生TiC对复合

材料的力学性能产生了不利影响。超声能场处理可以有效消除材料内部缺陷、改善组织

均匀性、细化晶粒，从而提升材料的力学性能。因此，本文采用激光熔化沉积技术制备

TiC/Ti6Al4V复合材料，首先研究了激光功率、扫描速度和送粉速率三种不同的工艺参

数对TiC/Ti6Al4V复合材料组织及性能的影响，然后研究了不同TiC体积分数对

TiC/Ti6Al4V复合材料组织及性能的影响，最后将超声能场同步引入激光熔化沉积过程

中，比较施加超声能场前后TiC/Ti6Al4V复合材料的组织与性能的变化，阐明超声能场

对不同TiC体积分数的TiC/Ti6Al4V复合材料的组织与性能的影响机理。研究结果表明：

不同工艺参数的激光熔化沉积5vol%TiC/Ti6Al4V复合材料内均存在未溶TiC、颗

粒状共晶TiC和链条状共晶TiC增强体。随着激光功率的提高（由1800W提高到2400

W）与扫描速度的降低（由600mm/min降低到300mm/min），复合材料内共晶TiC数

量增多，未溶TiC尺寸减小。随着送粉速率的降低（由14g/min降低到7g/min），试

样内未溶TiC数量和尺寸减少。受到复合材料内未溶TiC与共晶TiC含量和尺寸、缺陷

等因素的综合影响，随着激光功率的提高，复合材料的硬度、耐磨性能、抗拉强度和断

裂应变提高；随着扫描速度的提高，复合材料的硬度、耐磨性能、抗拉强度和断裂应变

先提高再降低。随着送粉速率的降低，复合材料的硬度和耐磨性能降低，抗拉强度和断

裂应变提高。

随着TiC体积分数从5%增加到20%，激光熔化沉积TiC/Ti6Al4V复合材料中原位

TiC的微观组织由共晶TiC逐渐变为以颗粒状初生TiC和枝晶状初生TiC为主，未溶

TiC的数量增多，复合材料硬度和耐磨性能逐渐提高。与Ti6Al4V合金相比，20vol%

TiC/Ti6Al4V复合材料的硬度从357.8HV0.2提高到498.4HV0.2，提高了39.3%；磨损率

-63-1-1-63-1-1

从2.61×10mm·m·N降低到1.04×10mm·m·N，降低了60.2%；5vol%

TiC/Ti6Al4V复合材料的抗拉强度从969.0MPa增加到1066.3MPa，但是断裂应变从

2.44%降低到1.31%。值得注意的是，不同TiC体积分数的TiC/Ti6Al4V复合材料内均

哈尔滨工程大学硕士学位论文

存在未溶TiC不均匀分布的现象，链条状共晶TiC和枝晶状初生TiC的尺寸较大，这都

会对复合材料的力学性能产生不利影响。

受超声能场的空化和声流效应影响，超声态复合材料中的未溶TiC分布更加均匀，

大尺寸的链条状共晶TiC和枝晶状初生TiC减少，颗粒状共晶TiC和颗粒状初生TiC增

多，气孔缺陷减少，这使得超声能场处理后，不同TiC体积分数的TiC/Ti6Al4V复合材

料的硬度、耐磨性能与拉伸性能同时得到提高。随着超声振幅的增加，5vol%

TiC/Ti6Al4V复合材料的硬度、拉伸性能与耐磨性能随之提高。100%超声振幅下复合材

料的力学性能最优，硬度由沉积态复合材料的406.5HV0.2提高到为414.2HV0.2，磨损率

-63-1-1-63-1-1

由1.82×10mm·m·N降