增材制造的优势在于可以灵活地调节合金成分，并且通过同步送粉即可合成多种粉末基的复合材料。在以往的研究中，已有大量关于增材制造制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究。然而，关于陶瓷颗粒的添加对于合金增材制造过程显微组织演变（如原位析出）的影响却鲜有报道。
来自华南理工大学、广东省科学院等单位的研究人员提出通过加入SiC颗粒可以诱导C300马氏体时效钢（MS）原位析出相的形成，从而制备出SiC和原位析出相双相增强的MS基复合材料。本期，谷.专栏，将分享这项研究成果的主要内容。
相关研究论文发表在复合材料学科期刊《Composites Part B: Engineering》。
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109820
研究背景
颗粒增强金属基复合材料（MMCs）由于具有高的强度、硬度和耐磨性，同时保持良好的韧性、高温蠕变性能和疲劳强度，被广泛应用于航空、航天、交通等领域。
激光粉末床熔融(LPBF)是一种新型的制备MMCs的增材制造方法，独特的逐层工艺方式突出了直接从粉末加工复杂和近净形部件的优势，为简化制备MMCs的工艺路线和交货时间提供了巨大潜力。此外，通过LPBF 增材制造工艺备MMCs还具有晶粒细化以及激光吸收率高的特点，从而使得所制备的复合材料拥有优异的力学性能。
研究结果
华南理工大学、广东省科学院等单位组成的研究团队，通过LPBF制备了含量为3、6、9、12、15、18vol% SiC颗粒增强MS基复合材料。首先，对MS-SiC复合材料的致密度进行了表征，如图1所示。在添加量低于12vol%时，复合材料内部仅存在少量气孔，且孔隙度随SiC颗粒的加入变化不大。然而，当SiC含量达到15和18vol%时，出现了一些裂纹和未熔合等缺陷。这可能是由于高热导率的SiC颗粒在冷却过程中显著增加了熔池的热导率，从而导致残余应力增加。此外，SiC的加入使得复合材料的塑性下降，最终导致了材料内部缺陷的产生。
图1 LPBF制备SiC颗粒增强MS基复合材料的致密度分析
图2为SiC颗粒增强MS基复合材料的显微组织。如图（a）所示，原始态MS钢的显微组织为典型的胞状结构。随着SiC颗粒的加入，复合材料的胞状组织逐渐向枝晶组织转变。当SiC含量大于12vol%时，复合材料内部组织由枝晶组织主导，这与高热导的SiC颗粒提高了熔池的凝固速率有关。此外，结合EDS结果表明，SiC的加入可以诱导复合材料内部富C、Mo和Ti的颗粒生成，而这些颗粒在原始的MS钢很少被观察到，说明SiC的加入可能诱导了MS钢增材制造过程中的原位析出。
图2 LPBF制备SiC颗粒增强MS基复合材料的显微组织
进一步对C300-MS和MS-3vol%SiC复合材料进行TEM表征分析表明，原始态MS钢内部基本无析出相，而MS-3vol%SiC复合材料内部发现有大量纳米析出相的产生，充分表明SiC的加入诱导了MS内部原位析出相的形成。通过进一步的HRTEM和STEM-EDS分析，这些析出相被确认为Fe2Mo和η-Ni3Ti相。MS内部原位析出相的形成使得该类复合材料为SiC和原位析出相双相增强复合材料，可以预测这将进一步增强MS基复合材料的力学性能。
图3（a）MS和（b-g）MS-3vol%SiC复合材料的TEM组织
力学性能测试表明MS-3 vol%SiC复合材料的抗拉强度（1611MPa）远高于MS钢的抗拉强度（1165MPa），同时保持了10.1%的延伸率，是一种力学性能优异的复合材料。通过与以往研究进行对比，可以发现在这项研究中制备的SiC和原位析出相双相增强MS基复合材料具有优异的强度和韧性。
图4 研究制备的MS-SiC复合材料的力学性能及与以往研究的对比
总的来说，这项研究通过LPBF制备了一种具有优异力学性能的SiC和原位析出相双相增强MS基复合材料，并对SiC颗粒诱导MS钢增材制造过程中原位析出的相关机理进行了深入表征和分析，该方法同样有望在其他金属的增材制造中得到运用，对增材制造制备金属基复合材料具有重要指导价值。
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