南京航空航天大学的顾冬冬(Dongdong Gu)教授团队利用CNTs或石墨烯,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)增材制造工艺调控CNTs与Ti基之间的原位化学反应,借助于激光增材制造的超高温、超快熔化/凝固速度等特征,使CNTs完全与Ti反应,变缺点为优点,以原位生成的纳米TiC增强相强化钛基体。文章的亮点是突破性地获得了弥散均匀分布的原位层片状纳米TiC,以及原位TiC与Ti基之间最大的共格排列,从而同时获得912MPa的高抗拉强度和16%的高延伸率(1.0 wt %CNTs),与传统纯Ti相比,“强塑积”综合提高350%。
制备方法如下。首先,利用低能量球磨获得涂覆CNTs粉末(图1B)的纯钛颗粒(图1A),通过保持Ti颗粒的球形来确保粉末的流动性。表面CNTs粉末的厚度大概是几十nm(图1C-D)。通过SLM制备CNTs/Ti复合材料,并以优化的“岛型扫描”方法(图1E-F),将SLM加工部件的内应力降到最低。激光与粉末之间的光滑交融确保本技术可以制备大于200 mm形状复杂的整体涡轮部件 (图1H)。
▲图1 含 1.0 wt % CNTs的纯钛粉末的SLM 3D打印
▲图2 不同能量激光打印Ti基复合材料的组织表征
▲图3 原位TiC增强相的生长机制与界面结构
▲图4 激光打印Ti基复合材料的力学性能
▲图5 拉伸试验过程中的激光打印Ti基复合材料的组织表征
来源:南极熊3D打印