文档介绍：南京航空航天大学
硕士学位论文
Ti基纳米复合材料高能球磨制备及选区激光熔化成形技术研究
姓名:李闯
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:沈以赴;顾冬冬
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
金属基纳米复合材料根据增强相的加入方式可分为外加颗粒增强以及原位自生增强两种。
实现纳米增强相均匀分布及防止纳米结构粗化是制备性能优异的金属基纳米复合材料的关键。
本文利用行星式高能球磨机设备,高能球磨微米级 TiC/Ti 和 SiC/Ti 粉末体系,制备了纳米 TiC
增强非晶 Ti 基复合粉末及纳米 TiC 原位增强 Ti5Si3 基复合粉末,并利用选区激光熔化工艺成功
制备了 TiC/Ti 和 TiC/Ti5Si3 纳米复合材料试件。
TiC/Ti 混合粉末随着球磨时间增加至 15 h,由于高能球磨诱发 Ti 发生严重塑性变形,产生
大量晶格缺陷,致使 Ti 发生非晶转变。复合粉末颗粒在球磨至 10 h 与 20 h 处经历了两次严重
细化阶段。最终得到纳米颗粒 TiC 增强非晶 Ti 基复合粉末,纳米级 TiC 在 Ti 基体中分布均匀。
在原位制备 TiC/Ti5Si3 纳米复合粉末过程中,SiC 在 25 h 高能球磨中逐渐分解,而 Ti 在相对较
短时间内(10 h)完全参加反应。TiC/Ti5Si3 纳米复合粉末结构依次经历了初级细化-粗化-二次细化
的过程。复合粉末颗粒的细化过程以分层碎化为主要机制。高能球磨 25h 后,纳米颗粒 TiC 在
Ti5Si3 基体中分散均匀。
对 TiC/Ti 纳米复合粉末进行选区激光熔化实验,成功制备了 TiCx 增强 Ti 基纳米复合材料
试件。激光线能量密度η为 1100 J/m 时,成形试件致密达 %。增强体 TiCx 为层片状纳米结
构,平均厚度为 54 nm,且在 Ti 基体中分布均匀。TiCx 层片状纳米结构是由于自 TiC 核心开始
形成之时,其生长就受到了激光熔池中特有的“微观有效应力”抑制,使其难以长大,加之 TiCx
特有的晶体结构,TiCx 以层片状纳米结构生长。选区激光熔化 SiC/Ti 复合粉末,原位制备了
TiC/Ti5Si3 复合材料试件。当激光线能量密度η为 800 J/m 时,SLM 试件保持了良好的凝固组织
连续性和均匀性,致密度达 %。因激光能量密度呈 Gauss 分布,激光作用的熔池中心及边
缘将形成明显的温度梯度与化学浓度梯度,进而产生熔池表面张力梯度,故易出现成分过冷,
导致原位生成的 TiC 呈现枝晶状形貌。讨论了激光快速熔凝过程中 TiC/Ti5Si3 复合材料的形成
机理。
关键词:高能球磨,纳米复合粉末,Ti,原位增强,选区激光熔化,显微组织,形成机理
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Ti 基纳米复合材料高能球磨制备及选区激光熔化成形技术研究
Abstract
Normally, ceramic particulates reinforced metal matrix posites could either be added to
posite system exteriorly or be formed through an in-situ reaction manner. It was a rather
significant task to homogeneously incorporate nanoparticles into a matrix and avoid nanostructure
coarsening. In present work, nanocrystalline/amorphous Ti matrix reinforced with the TiC
nanoparticles and in-situ synthesis of TiC/Ti5Si3 posites powders were obtained via high
energy ball milling, using the micrometric TiC/Ti and SiC/Ti powders as the raw materials.
Meanwhile, the TiC/Ti and TiC/Ti5Si3 posite parts were performed by selective laser melting.
With increasing the applied milling time to 15h, the structures of the Ti constituent exp