激光定向能量沉积技术在陶瓷/金属复合材料中的应用：通过界面改性及热输入控制实现定制微观结构并提升机械性能——以高硼钢为例

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Laser directed energy deposition of Ceramic/Metal Composites: Interfacial modification and heat input regulation for Tailored microstructure and enhanced mechanical properties Exemplified by high boron steel

本研究提出激光增材制造中陶瓷/金属界面改性与热输入协同调控策略，通过钨涂层改善B4C与不锈钢熔池润湿性，结合热输入优化实现孔隙率降低99%、晶粒细化80%，并消除热处理需求，为近净成形复合部件制造提供新方法。

　　

王瑞|朱子涵|李宁|严大鹏|崔斌|黄胜|李青宇|李迪晨

中国陕西省西安市西安交通大学机械工程学院制造系统工程国家重点实验室，邮编710049

摘要

激光定向能量沉积（LDED）技术在制备功能-结构复合材料方面展现出巨大潜力。然而，陶瓷与金属之间的界面不兼容性限制了其服役性能。本研究提出了一种通用策略，将复合材料界面的表面改性与LDED过程中的热输入调节相结合。该策略的核心思想是将陶瓷/金属界面转变为金属/金属界面，从而提高熔池的润湿性和流动性。同时，通过对热输入的系统性优化来控制热力学和动力学条件，进而调控固化路径和最终微观结构。以高硼钢为例的案例研究表明，B₄C表面涂覆钨后，其孔隙率降低了99%以上；晶粒尺寸也减少了约80%。在适中热输入（40 J/mm²）条件下，硼沉淀物从连续网络转变为细小且均匀分布的颗粒。未经热处理的样品拉伸强度仅为ASTM标准的2倍多，而经过处理后的样品拉伸强度达到了8.7 ± 1.70%。本研究通过“界面改性-激光工艺控制”的协同作用，实现了高性能陶瓷/金属复合材料的工艺优化，消除了后处理热处理的需要，为近净形陶瓷/金属组件的制造提供了前瞻性解决方案，具有重要的理论意义和广泛的工程应用前景。

引言

激光增材制造技术为制备具有复杂几何形状和集成功能-结构特性的金属部件提供了一种革命性的方法[1],[2]。此外，LDED在梯度材料一体化成型方面的独特优势使其在制备功能集成结构材料方面具有巨大潜力。激光定向能量沉积（LDED）的逐层近净形能力和快速热循环特性使其在制备陶瓷增强金属基复合材料方面具有显著潜力[3]。LDED技术旨在结合陶瓷相的特定功能与金属基体的良好韧性，从而直接制造出能够承受极端服役条件（如严重磨损、腐蚀或特殊中子屏蔽环境）的部件[4]。然而，这一技术路线面临一个长期存在的核心问题：陶瓷与金属基体之间的润湿性不足导致界面结合强度低[5],[6]。这一根本问题直接导致熔池流动性差，并引发孔隙等缺陷[7]，最终显著降低了复合材料的结构完整性和服役可靠性[8]，尤其是在陶瓷含量较高的复合材料中（例如，为了高效中子屏蔽而含有高浓度硼化物[9]）。这导致了功能属性与结构属性之间的权衡[10]。传统制造方法会使本质上不兼容的界面经历快速的非平衡激光熔化过程，从而导致微观结构不均匀[11]。因此，开发一种能够增强陶瓷/金属界面兼容性并主动控制复合微观结构的通用策略已成为一项关键科学挑战。

目前，激光增材制造面临粉末分布不均匀和陶瓷/金属界面结合力弱、易形成缺陷等问题。为了解决这些问题，研究主要集中在两个方面：材料预处理和工艺控制。在材料设计方面，Ethan等人通过机械合金化策略，利用激光粉末床熔融技术成功制备了高TiB₂含量的AlSi10Mg复合材料[12]。他们通过选择相容的陶瓷相并添加硬脂酸，实现了TiB₂颗粒的均匀分散和界面预结合[6]。然而，这种方法仅适用于陶瓷与基体之间反应性较低的体系。对于含有活性成分的复合材料，研究人员尝试通过化学调节来改变微观结构。例如，在高硼钢中添加钛，利用钛对硼的高亲和性形成细小的TiB₂颗粒，取代了连续的脆性Fe₂B网络，从而减少了基体的脆化[13]。不过，添加钛会增加成本，并可能形成其他金属间化合物。Wanwan等人证明，在LDED过程中调节热输入可以原位控制TiB的分布，表明增材制造参数对第二相演化有显著影响[14]。然而，当材料体系本身界面兼容性较差时，工艺调整往往效果不佳。总之，目前仍缺乏一种特别适用于界面结合力差和陶瓷/金属组合反应性高的体系的通用策略。

为从根本上解决这些问题，本研究提出了一种通用协同策略：首先对陶瓷增强颗粒进行表面金属化处理，以预先改善界面兼容性；其次，在LDED过程中主动优化热输入，以控制固化行为和微观结构。在界面改性层面，本研究将原始的陶瓷/金属界面转变为金属/金属界面；在工艺层面，系统地利用LDED热输入作为关键控制参数，调控组分的扩散、形核和生长，从而优化微观结构。理论上，适当的热输入可以实现增强分布和基体微观结构的协同优化[15]。总之，本研究旨在通过结合“陶瓷增强体的界面改性以提高界面结合力”与“通过LDED热输入精确控制熔池冶金过程”来阐明和验证一种制备高性能陶瓷/金属复合材料的新方法。为了系统验证这一协同策略，选择了高硼不锈钢作为代表性案例进行深入研究。高硼不锈钢具有明显的功能-结构属性冲突，使其成为评估新方法在界面控制、缺陷抑制和微观结构优化方面效果的理想模型系统。

本研究实现了高性能陶瓷/金属复合材料的直接制备，无需后处理热处理，从而不再受炉子体积的限制，为工程应用带来了巨大潜力。本文结构如下：首先概述研究背景和常见挑战，提出创新策略；接着详细介绍材料设计、制备和表征方法；随后系统展示微观结构和力学性能结果；最后总结结论并展望该方法的应用前景。

部分摘录

B4C粉末的制备与表征

选择界面改性材料时，需要系统考虑不锈钢熔体与碳化硼之间的润湿性不匹配问题。首先，改性材料必须能够很好地润湿不锈钢熔体，其接触角应显著低于B₄C/不锈钢（通常>90°）。其次，其熔点必须高于不锈钢基体（例如>1400°C），以防止过早熔化并丧失保护功能。

缺陷特征与致密化

为了评估钨涂层对LDED高硼不锈钢复合材料成型质量的影响，使用X射线计算机断层扫描对沉积后的块状样品的孔隙率进行了定量分析，结果如图3所示。未涂覆碳化硼粉末的样品孔隙率为14.29%（样品0）。相比之下，经过界面改性的样品孔隙率显著降低，分别为0.04%（样品1）、0.10%（样品2）、0.09%（样品3）。

钨涂层碳化硼消除材料孔隙缺陷的机制

涂覆钨的碳化硼粉末样品的孔隙率降低了99%以上。这一改进归因于钨涂层提高了B₄C与不锈钢熔体之间的界面润湿性，如图10所示。未涂覆碳化硼时，陶瓷与熔融不锈钢之间的润湿性差且接触角大，导致熔体无法有效扩散到颗粒上。

结论

本研究解决了LDED制备的陶瓷/金属复合材料在成形性和性能上的关键问题。提出并验证了一种结合界面改性与热输入调节的通用策略，最终实现了微观结构和力学性能的协同优化。主要结论如下：

1)

创新的界面改性促进了冶金结合，降低了材料中的孔隙率

CRediT作者贡献声明

王瑞：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。朱子涵：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、概念化。李宁：研究、概念化。严大鹏：资源协调、概念化。崔斌：软件开发、概念化。黄胜：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念化。李青宇：资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢广东YINNA科技有限公司在碳化硼钨涂层工艺方面提供的技术支持。特别感谢西北工业大学材料科学与工程学院的郝志伟博士，感谢他在涂层技术方面提供的宝贵信息和建议。

作者还要感谢仪器分析中心的王家伟工程师、陈亚楠工程师和任子军工程师。