新型冶金界面结构对LPBF（激光粉末熔融）制备的核壳WC/316L金属基复合材料的微观结构、力学性能和摩擦学行为的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Novel metallurgical interface structure effect on microstructure, mechanical properties, and tribological behavior of LPBF-processed core-shell WC/316L metal matrix composites

【字体：大中小】 时间：2026年06月06日 来源：Materials Chemistry and Physics 4.7

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　　杨少峰|陈琪琪|牛绍宁|王瑞天津工业大学天津高性能精密成形技术与装备重点实验室，中国天津，300222摘要激光粉末床熔融（LPBF）技术在金属基复合材料（MMCs）中的应用受到陶瓷与金属基体之间非润湿反应的阻碍。本文采用由WC核心和Si–OH功能化壳层组成的核壳粉末，通过LPBF

杨少峰|陈琪琪|牛绍宁|王瑞

天津工业大学天津高性能精密成形技术与装备重点实验室，中国天津，300222

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术在金属基复合材料（MMCs）中的应用受到陶瓷与金属基体之间非润湿反应的阻碍。本文采用由WC核心和Si–OH功能化壳层组成的核壳粉末，通过LPBF工艺制备了WC/316L MMCs。Si–OH壳层促进了适度的界面润湿和冶金结合，从而提升了材料的力学性能。含有5.5% WC的复合材料达到了841 MPa的屈服强度、962 MPa的极限抗拉强度以及17.3%的伸长率。在摩擦过程中，分散的WC颗粒形成了类似岛屿的结构，稳定了摩擦氧化层并抑制了细小沟槽的产生，使得其摩擦性能显著优于纯316L钢。

引言

颗粒增强金属基复合材料（MMCs）为进一步提高316L组件的强度和耐磨性提供了有效途径。传统的MMCs制造方法（如搅拌铸造和粉末冶金）常常存在颗粒团聚、严重的界面反应以及增强体体积分数受限的问题，导致微观结构不均匀和力学性能下降[[1], [2], [3], [4], [5]]。相比之下，激光粉末床熔融（LPBF）技术在MMCs制备中具有独特优势：极高的冷却速率（10⁵-10⁶K/s）可以有效抑制有害的界面反应，熔池内的马兰戈尼对流有助于打破颗粒团簇，而且热循环过程还能促进纳米级相的原位析出。因此，LPBF已成为将陶瓷颗粒（如WC、TiC、SiC、TiB₂）引入316L基体的有前景的方法[[6,7]]。

在陶瓷增强体中，WC颗粒因其高硬度、耐腐蚀性和高温稳定性而被视为理想的增强相。近年来，关于利用激光增材制造技术制备WC/金属基复合材料的研究十分活跃。Gu等人的研究[8]表明，WC/316L MMCs的显微硬度更高、磨损率更低，这归因于增强相与合金之间形成的反应界面层。Lei等人制备了WC/NiCu复合材料，发现激光和熔池产生的高温促使枝晶间形成了W₂C硬质相[9]。尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键挑战：LPBF熔池内的最高温度可达到3000°C，这会导致WC不可控分解，并与合金基体发生反应生成硬而脆的金属间化合物。断裂形态分析[[10], [11], [12]]显示，裂纹主要发生在陶瓷/基体界面，并伴有颗粒拔出的球形坑洞，表明其结合机制主要是机械性的[[10], [11], [12]]。目前尚未找到有效的方法来有效缓解界面反应并促进陶瓷增强体与316L基体之间的冶金结合。

与传统均质粉末相比，核壳结构具有多项优势。例如，Yang等人证明壳层可以作为保护屏障，防止氧化并提高LPBF过程中的激光吸收率[6]。本研究旨在抑制WC与316L之间的不可控界面反应，并促进两相之间的冶金结合。设计了一种核壳结构的WC球形粉末，并通过振动混合工艺将其与316L不锈钢粉末混合，以防止WC颗粒在原料中发生局部聚集。随后在优化条件下利用LPBF工艺制备WC/316L MMCs，并系统研究了其力学和摩擦性能，这些性能与陶瓷/金属界面的冶金结构密切相关。这项工作为LPBF制备的MMCs提供了新的界面工程策略，并建立了WC/316L系统的工艺-微观结构-性能关联。

章节摘录

实验

本研究中使用的原材料为球形WC粉末和316L不锈钢粉末，其粒径分布范围均为15-53 μm。为了形成Si–OH/WC核壳结构，在500毫升烧杯中加入特定量的WC粉末以及H₂O、C₂H₅OH、TEOS(Si(OC₂H₅)₄和NH₃·H₂O，使用可调速电动搅拌器混合5小时。其中H₂O和C₂H₅OH作为稀释剂和羟基来源，TEOS(Si(OC₂H₅)₄提供硅元素，NH₃·H₂O提供氮元素。

微观结构分析

对制备的Si-(OH)₄/WC核壳结构进行了SEM和EDS分析，如图2所示。图2(a)显示WC表面干净光滑；而经过Si(OC₂H₅)₄水解反应后，WC表面形成了粗糙的壳层（图2(b)）。图2(c)展示了Si-(OH)₄/WC核壳粉末的表面，表明Si-(OH)₄在WC表面形成了均匀的壳层。

结论

本研究通过LPBF增材制造技术制备了高性能WC增强316L MMCs，研究了其界面冶金行为、微观结构演变、力学性能、晶粒细化机制及强化机制。主要结论如下：

通过TEOS水解反应在WC颗粒表面成功合成了保护性核壳结构。这种创新方法有效

作者贡献声明

杨少峰：撰写初稿、资源准备、项目管理、方法论设计。陈琪琪：实验研究、数据整理。牛绍宁：实验研究、数据整理。王瑞：撰写、审稿与编辑、资源获取。

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了天津工业大学基础研究基金（KYQD202308）、华南理工大学先进金属材料加工与成形广东省重点实验室开放项目（GJ202406）以及

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实验

微观结构分析

结论

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