基于激光熔融沉积技术的B4C增强7075Al功能梯度复合材料的结构设计与力学性能研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Research on the Structural Design and Mechanical Properties of B 4C Reinforced 7075Al Functionally Graded Composite Materials Based on Laser Melting Deposition

铝基功能梯度复合材料梯度结构优化与力学性能研究。采用激光熔覆技术制备了四组不同层状结构的B4C/7075Al FGM，通过调控层间B4C含量梯度（1.5%-3%）和层数（3-5层），分析了显微组织分布与力学性能的关联性。结果表明：层状结构F1（三层层间梯度含量1.5%-3%）综合性能最优，抗弯强度585.1MPa，压缩强度776.3MPa，断裂应变7.32%；压缩强度随层数增加呈负相关，而弯曲性能前向（加载面）优于反向（反向弯曲强度降低约15%）。梯度设计有效缓解了传统涂层/复合材料的性能突变问题，为航空关键部件的梯度材料设计提供了实验依据。

　　

尹王|光竹|伦立|连海刘|赵吉斌

中国科学院沈阳自动化研究所，中国沈阳，110016

摘要

基于铝的功能梯度复合材料（FGMs）可以通过设计在两端表现出不同的性能，并在内部结构和成分上实现连续变化，从而消除界面处的突变，因此具有相当大的应用潜力。在本研究中，设计了四种不同的B4C/7075Al基FGMs结构。这些材料样品是使用激光熔融沉积技术制造的。所使用的激光器为YLS-10000-KC型（最大功率为10000W）。这四种样品具有不同的层数（三层、四层和五层），并且各层之间的B4C含量也有所不同（分别为1.5%、2%和3%），同时保持了相同的总B4C添加量。对每层的微观结构及整体机械性能进行了详细研究。此外，还对比了均质复合材料和FGMs。结果表明，FGMs中第二相的形态和含量随位置呈梯度分布。材料的压缩性能取决于FGMs的层数；具体来说，随着层数的增加，压缩强度会降低。弯曲性能测试的结果表明，FGMs在抗拉应力下的韧性和脆性表现不同，导致其正向弯曲性能显著优于反向弯曲性能。此外，随着层数的增加，弯曲强度也会降低。在这项工作中，三层线性FGM样品（F1）具有最佳的综合性能，其表面硬度、压缩强度、弯曲强度和失效应变分别为178HV、776.3MPa、585.1MPa和7.32%。

引言

陶瓷材料具有高温稳定性、低热膨胀系数、优异的耐磨性和高强度[1]、[2]。相比之下，铝合金具有低密度、高导热性和优异的韧性[3]、[4]。将陶瓷颗粒作为增强剂掺入铝合金中，制备颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs）是显著提升材料整体性能的有效策略[5]、[6]、[7]。在各种陶瓷增强剂中，碳化物颗粒（如B4C）具有极高的弹性模量和微硬度，被认为是有前景的增强颗粒[8]、[9]、[10]。通过精确调整铝基体中陶瓷相的含量，可以实现机械性能和热性能的最佳组合[11]、[12]、[13]。这类材料被称为功能梯度复合材料（FGMs）。

FGM是一种具有渐进式成分变化的先进材料。可以随意定制材料两端的性能[14]、[15]。铝及其合金是各种类型FGMs的理想基材。这些材料将在不同的工程领域得到广泛应用[16]、[17]。当组件的不同部分需要不同的性能时，可以使用基于铝的FGMs。例如，可以通过使用耐磨性更好的材料制造内部韧性高、外部硬度更高的组件，以满足汽车和航空航天领域的不同应用需求[18]、[19]、[20]、[21]。例如，在航空发动机的 dovetail 头、壳体和其他叶片部件中，它们需要与盘连接，但自身也会承受摩擦和微动磨损。这些部件的一端（连接端）的机械性能与主要铝合金结构相匹配，而另一端（接触端）具有高耐磨性，并且内部没有应力集中界面，这大大提高了部件在高循环疲劳环境中的可靠性。

可以使用多种方法制备陶瓷增强的基于铝的FGMs。这些方法包括离心铸造[4]、[11]、挤压渗透[22]、粉末冶金[23]、[24]、[25]、热喷涂[26]、浆料分解沉积[27]和激光增材制造（LAM）[28]。在这一领域已经进行了大量研究。Rodrigue等人[29]使用离心铸造方法制备了A359/SiCp基FGMs，并系统分析了其微观结构和机械性能。离心力使颗粒在外侧积累，从而使组件的外表面具有优异的耐磨性，而内部保持了良好的韧性。Kirmizi等人[30]研究了通过粉末冶金制备的SiC增强泡沫铝复合材料的机械和弹道性能。Al7075和SiC混合物包含五种不同的组分。Al7075和SiC粉末在不同的压力下被压缩并在多个温度下烧结，最终制备出了Al7075/SiC和AA7075交替分布的五层功能梯度泡沫材料。

还报道了其他一些制备基于铝的FGMs的方法。Song[31]结合了凝胶铸造多层技术和微振动真空压力渗透（VPI）技术，制备了由38-63体积% SiC颗粒复合材料层转化而成的Al/SiC FGMs。这种方法的界面结合强度更高，逐渐变化的界面减少了热失配和残余应力。Ramezan等人[32]研究了通过变形驱动冶金（DDM）技术处理的AA7075-Al2O3 FGMs的微观结构演变和机械性能。随着Al2O3颗粒含量的增加，晶粒尺寸得到细化，材料的硬度和强度也得到了提高。

近年来，智能制造技术逐渐在工业生产中占据主导地位[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。增材制造（AM）是一种易于操作的智能制造技术，具有高精度和接近净成形制造的能力，已广泛应用于先进制造领域[38]。选择性激光烧结（也称为激光粉末床熔合）和激光熔融沉积（也称为激光直接能量沉积）都属于LAM技术，是主流的AM技术之一。在这种技术中，激光作为热源，粉末作为烧结原料，最终制造出样品[39]。LAM可以用于制备各种类型的复合材料[40]、[41]、[42]。激光熔融沉积（LMD）被认为是制备基于金属的FGMs最理想和高效的方法[43]。该技术利用逐层堆叠的概念和激光熔覆技术，非常适合制备复杂结构FGMs的集成成型样品[44]、[45]。

在这种情况下，大多数研究都集中在FGMs的制备过程和初步性能测试上。它们通常只将一种FGM与均质复合材料进行比较，缺乏对梯度结构的参数化设计优化和全面的机械性能评估。此外，关于应用于航空航天领域的高强度7xxx基FGMs的研究非常有限。7xxx铝合金在制备过程中由于合金元素过量，常常容易出现热裂纹，从而严重降低性能[46]、[47]。

因此，针对高性能组件中“耐磨表面”与“强韧基体”难以结合这一常见问题，本研究提出并实施了一种基于LMD的材料结构设计方案。通过制备多层线性FGMs，设计了一种B4C陶瓷颗粒增强的7075铝基FGM。目的是从根源上协调服务端（高模量、耐磨性）和连接端（与基体合金性能匹配）之间的性能矛盾。通过平滑分布内部热应力并实现成分的渐进过渡，可以抑制传统涂层或复合材料中由于性能突变导致的界面分层或过早失效的趋势。这项工作为航空航天关键组件的长寿命和高可靠性设计提供了新的材料和工艺方法。

部分摘录

材料

实验所用原材料为商业化的7075合金粉末（直径53–150 μm，纯度≥99.9%）、Ti粉末（直径50–150 μm，纯度≥99.6%）和B4C粉末（直径50–150 μm，纯度≥98.0%）。7075合金粉末和基底的元素组成如表1所示。添加Ti的目的是细化晶粒，通过有效旋转晶粒来适应应变，并破坏液膜的连续性，从而减少热应力和

沉积样品的表征

图2(a)展示了沉积后FGM样品完整的Z方向横截面（Y-0-Z）照片，以F2为例。顶层颜色较深，而底层颜色较浅。图2(b)展示了整个样品的宏观结构典型SEM图像。黑色颗粒的数量随位置呈梯度变化。B4C的含量从上到下逐渐减少。材料中未观察到明显的裂纹

梯度材料结构对压缩性能的影响

FGMs的压缩性能测试结果显示，三层FGM样品（F1）在所有FGM样品中具有最高的强度值。而均质材料样品（H1）的强度也高于所有FGM样品。通过SEM对压缩样品的横截面进行了表征，以分析材料压缩过程中的微观结构演变。图9展示了不同结构材料在压缩测试后的微观结构形态

结论

本研究通过LMD工艺制备了不同结构的B4C/7075Al FGMs。详细研究了不同层的微观结构、压缩性能、弯曲性能和失效机制。该研究最终明确了实现最佳强度-韧性协同的具体梯度结构形式，为增材制造梯度材料的“按需设计”提供了关键的实验证据和理论指导。

CRediT作者贡献声明

连海刘：项目管理、方法论。赵吉斌：监督。光竹：资金获取、正式分析。伦立：方法论、调查。尹王：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金青年科学基金项目（项目编号52405570）、辽宁省自然科学基金（项目编号2023-MS-034）、SIA基础研究项目（项目编号2022JK2K09和2024JC1K14）、国家博士后研究计划C（项目编号GZC20232882）、中国博士后科学基金会第七批一般资助（项目编号2023M743703）以及复杂表面工业机器人离线项目的支持