激光粉末床熔融Ti/Al层状复合材料的成形性、界面特性及力学性能研究

doi:10.3901/JME.2022.17.288

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (17): 288-296.doi: 10.3901/JME.2022.17.288

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激光粉末床熔融Ti/Al层状复合材料的成形性、界面特性及力学性能研究

李得利^1,2, 汪瑞^1,2, 张晗^1,2, 林开杰^1,2, 顾冬冬^1,2

1. 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京 210016;
2. 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京 210016

收稿日期:2021-12-09 修回日期:2022-02-22 发布日期:2022-11-07
作者简介:李得利,男,1998年出生。主要研究方向为钛/铝层状复合材料的激光增材制造。E-mail:delili@nuaa.edu.cn

Laser Powder Bed Fusion of Ti/Al Layered Composites: Forming Quality, Interface Characteristic and Mechanical Properties

LI Deli^1,2, WANG Rui^1,2, ZHANG Han^1,2, LIN Kaijie^1,2, GU Dongdong^1,2

1. College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016;
2. Jiangsu Provincial Engineering Laboratory for Laser Additive Manufacturing of High-Performance Metallic Components, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016

Received:2021-12-09 Revised:2022-02-22 Published:2022-11-07
Contact: 国家自然科学基金重点(51735005)、装备预先研究领域基金-快速扶持 (JZX7Y20210263400301)和国家自然科学基金创新研究群体(51921003)资助项目。

摘要/Abstract

摘要： 采用激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion, LPBF)增材制造技术制备了Ti/Al层状金属复合材料(Ti/Al layered metal composites，Ti/Al LMC)，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度及摩擦磨损实验等测试表征方法研究了Ti/Al LMC的成形质量、界面特性和力学性能。结果表明，根据异种材料特征有针对性地优化钛层和铝层的加工参数分别为800 mm/s、200 W；2 400 mm/s、350 W时，可获得较低孔隙率(2.73%)的Ti/Al LMC样品，且钛层与铝层界面结合良好，具备较高的显微硬度(226.3 HV_0.2)和良好的耐磨性(磨损率为10.4×10^-4 mm³/(Ν m))。在不同工艺参数下制得的样品中均出现了TiAl₃金属间化合物，其形成原因是由于Ti/Al层状复合结构界面处存在相互扩散现象，且TiAl₃沿最大冷却速率方向优先从铝层向钛层生长。摩擦磨损实验表明良好的界面结合及适量TiAl₃金属间化合物的生成有助于提高Ti/Al LMC的耐磨性，磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。

关键词: Ti/Al层状复合, 界面结合, 金属间化合物, 元素扩散, 力学性能

Abstract: A Ti/Al layered metal composite (Ti/Al LMC) is fabricated through laser powder bed fusion (LPBF) technology. The forming quality, interface characteristic and mechanical properties of Ti/Al LMC are studied. The results show that the processing parameters of titanium and aluminum layer are 800 mm/s, 200 W; 2 400 mm/s, 350 W, respectively, a lower-porosity (2.73%) sample can be obtained, and the interface between titanium layer and aluminum layer is well bonded, with high microhardness (226.3 HV_0.2) and good wear resistance (The wear rate is 10.4×10^-4 mm³/(Ν∙m)). TiAl₃ intermetallic compounds are found in the samples prepared under different process parameters, which are formed because of the interdiffusion phenomenon at the interface of Ti/Al layered composite structure. TiAl₃ preferentially grew from aluminum layer to titanium layer along the direction of maximum cooling rate. Friction and wear experiments show that good interfacial bonding and an appropriate amount of TiAl₃ intermetallic compounds can improve the wear resistance of Ti/Al LMC, and the wear mechanism is mainly adhesion wear and abrasive wear.

Key words: Ti/Al layered metal composite, interface bonding, intermetallic, element diffusion, mechanical properties

中图分类号:

V261

李得利, 汪瑞, 张晗, 林开杰, 顾冬冬. 激光粉末床熔融Ti/Al层状复合材料的成形性、界面特性及力学性能研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(17): 288-296.

LI Deli, WANG Rui, ZHANG Han, LIN Kaijie, GU Dongdong. Laser Powder Bed Fusion of Ti/Al Layered Composites: Forming Quality, Interface Characteristic and Mechanical Properties[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(17): 288-296.

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