IF21.3！山东大学最新《IJEM》：LPBF制备GH3536复合材料中TiC颗粒的多尺度演化（粗化机制和多层级分布）！

金属基复合材料（MMCs）是增强材料与金属或合金基体材料的结合体。由于其优异的机械性能和卓越的热机械稳定性，MMCs被广泛应用于航空航天系统和极端环境中。激光粉末床熔融（LPBF）是增材制造（AM）中最广泛使用的技术之一，该技术利用聚焦的高能激光束逐层熔化粉末，以生成具有相对较强冶金结合力的三维复杂形状金属部件。与传统制造方法相比，LPBF技术确保了增强颗粒在MMCs中的有效集成和均匀分散。因此，LPBF技术为MMCs的可控制造提供了一种革命性的解决方案。

通常，MMCs的力学性能取决于颗粒分散、界面反应和凝固微观组织的多尺度协调。为了提高力学性能，研究人员已探索了优化颗粒分散的策略，包括通过实验工作和多物理场数值模拟来模拟LPBF过程中的颗粒运动，并阐明LPBF制造的MMC中的分散机制。然而，激光与粉末之间的多物理场耦合会产生非常复杂的熔池动力学。高温度梯度和快速冷却速率对增强颗粒的热力学稳定性产生强烈影响，使得难以量化粗化、溶解和再沉淀行为。最近关于LPBF制造氧化物弥散强化（ODS）合金和TiC增强钢的研究探索了氧化物粗化和TiC分解行为。然而，目前仍缺乏一个系统的依赖能量密度的框架，将熔池动力学与镍基复合材料中增强颗粒的多尺度演变联系起来，且增强颗粒的多尺度演变与制造部件的力学性能之间的关系尚未完全理解。因此，LPBF制备TiC增强GH3536复合材料的研究空白在于如何系统地揭示TiC颗粒的多尺度演变，而解决这一空白可能有助于精确制造具有定制微观组织的高性能复合材料。

针对上述挑战，山东大学韩泉泉教授团队通过LPBF技术制备了TiC增强GH3536基复合材料。采用多种表征技术对不同体积能量密度下TiC颗粒的分布和数量变化进行了定量分析；系统研究了LPBF制备的试样的微观组织特征、析出行为和力学性能；进行了熔池动力学数值模拟，以分析高/低能量密度下TiC的多尺度演变过程；结合熔池动力学的理论计算，进一步研究了多尺度TiC在演化路径中的粗化机制，以揭示TiC颗粒的多层级分布模式。

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae3b82

主要附图

图1. 粉末特性和LPBF工艺: (a)–(c) GH3536、GH3536-5TiC粉末和TiC颗粒的SEM图像。(d) 粉末的激光吸收率。(e) 拉伸试样的尺寸和扫描策略。

图2. 仿真模型和计算域示意图: (a) 使用EDEM建立的粉末床模型。(b) 计算域。

图3. LPBF制备试样的光学显微镜（OM）和背散射电子（BSE）图像：（a）GH3536合金的OM图像；（b）和（c）GH3536-5TiC复合材料的OM图像；（d）GH3536-5TiC复合材料的横截面BSE图像。

图4. GH3536-5TiC中TiC颗粒的定量分析: (a)–(b) 统计区域的BSE图像。(c)–(d) 低能量密度(TL)和高能量密度(TH)试样中的TiC颗粒统计。(e) 不同能量密度下的颗粒粒径和数量统计结果。

图5. 未腐蚀试样的BSE显微图像：（a）和（b）GH3536；（c）和（d）GH3536-TH；（e）和（f）GH3536-TL。

图6. 腐蚀样品的SEM表征：（a）和（b）GH3536；（c）和（d）GH3536-TH；（e）和（f）GH3536-TL。

图7. LPBF制备试样的EBSD结果：（a）GH3536：（a-i）IPFY图；（a-ii）晶界（GB）分布图；（a-iii）核平均取向差（KAM）分布图；（a-iv）IPF图；（b）GH3536-TH：（b-i）IPFY图；（b-ii）GB分布图；（b-iii）KAM分布图；（b-iv）IPF图；（c）GH3536-TL：（c-i）IPF Y图；（c-ii）GB分布图；（c-iii）KAM分布图；（c-iv）IPF图。

图8. LPBF制备试样的EBSD分析结果：（a）晶界分布图：（a-i）GH3536；（a-ii）GH3536-TH；（a-iii）GH3536-TL；（b）晶粒尺寸分布图：（b-i）GH3536；（b-ii）GH3536-TH；（b-iii）GH3536-TL；（c）KAM分布图：（c-i）GH3536；（c-ii）GH3536-TH；（c-iii）GH3536-TL。

图9. TL试样的TEM表征: (a)–(b) 明场(BF)图像和微米级TiC的选取电子衍射(SAED)。(c)–(d) BF图像和纳米级TiC的SAED。(e)–(f) BF图像和析出物的SAED。

图10. GH3536、GH3536-TH和GH3536-TL试样的拉伸性能分析：（a）室温（298 K）下的工程应力-应变曲线；（b）高温（1173 K）下的工程应力-应变曲线；（c）和（d）GH3536-TL试样在298 K拉伸试验后的TEM图像和EDX映射；（e）和（f）GH3536-TL试样在1173 K拉伸试验后的TEM图像和EDX映射；（d）和（f）中的插图为选区电子衍射图。

图11. 不同阶段的温度场和凝固颗粒分布特征：（a）GH3536-TH：（a-i）和（a-ii）熔池内的瞬态温度分布；（a-iii）凝固熔池中的颗粒分布情况；（a-iv）熔池中两个监测点的热历史；（b）GH3536-TL：（b-i）和（b-ii）熔池内的瞬态温度分布；（b-iii）凝固熔池中的颗粒分布；（b-iv）熔池中两个监测点的热历史。

图12. 熔池行为和TiC颗粒演化模拟结果: (a), (c) TH试样的熔池模拟。(b), (d) TL试样的熔池模拟。

图13. 熔池动力学计算中无量纲量与TiC粒径之间的关系: (a) TH中的各无量纲数。(b) TL中的各无量纲数。

图14. TiC颗粒多尺度演化示意图。

主要结论

LPBF能量密度与颗粒粒径呈正相关，熔池模拟和动力学计算表明：纳米级TiC粗化受化学传输主导，而微米级TiC受控于碰撞机制。复材中的TiC颗粒呈四层级分布：1.添加的不规则微米TiC；2.破碎的亚微米/纳米TiC；3.TiC溶解并析出的(Mo,Ti)C碳化物；4.飞溅的TiC颗粒。低能量密度试样在900°C下优异的强塑协同（UTS = 304 MPa，EL = 42%）主要归因于双峰晶粒和MC与M23C6的转化。

作者简介

韩泉泉，山东大学机械工程学院教授、博士研究生导师。山东省高层次人才、山东省优秀青年基金获得者、齐鲁青年学者。韩泉泉教授于2017年获得英国卡迪夫大学博士学位，长期从事高温合金激光增材制造的理论、工艺与应用研究。作为负责人承担国家自然科学基金、装备发展部“HY行动”项目、基础加强计划领域基金课题、山东省优秀青年基金等科研项目10余项，以第一完成人获山东省技术发明二等奖（2025）、中国商业联合会科技进步三等奖（2025）。兼任山东省先进激光增材制造技术与高端装备重点实验室理事长、中国有色金属学会增材制造专委会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员，SCI期刊《Manufacturing Letters》编委、《Materials》编委。以第一/通讯作者在Int J of Extreme Manufacturing、 Int J of Plasticity、Additive Manufacturing、Composites Part B: Engineering等国际期刊发表SCI学术论文70余篇；授权国家发明专利12件（转让2件）。

个人资料来源：https://www.mech.sdu.edu.cn/info/1132/130374.htm

第一作者：赵鹏，山东大学博士研究生。研究方向为金属基复合材料的激光增材制造。已在International Journal of Extreme Manufacturing、Composites Part B: Engineering等国际高水平期刊发表相关论文数篇。