SLM（ selective laser melting）制造的316L/TiC功能梯度复合材料中TiC的原位溶解-沉淀过程：微观结构证据与强化机制

《Materials & Design》：In situ dissolution–reprecipitation of TiC in SLM-fabricated functionally graded 316L/TiC composites: microstructural evidence and strengthening mechanisms

选择性激光熔化制备的316L/TiC功能梯度材料中，TiC颗粒尺寸通过控制熔池动态和相变路径显著影响微观结构演变与力学性能。细TiC（<10μm）促进更细的等轴晶（2.5μm）和高角度晶界（96.6%），主强化机制为Hall-Petch（ΔσHP=111MPa）和Orowan（ΔσOrowan=115MPa）；粗TiC（10-20μm）因颗粒破碎不充分，晶粒细化效果较弱（3.3μm），奥罗万强化贡献降低（ΔσOrowan=60MPa）。两相变产物δ-Fe（2-3%）和Ti2(C,N)进一步验证了TiC的动态再 precipitate 机制。功能梯度设计实现强度（847MPa）与延展性（21%）的优化平衡。

　　钛碳化物（TiC）作为增强相，在316L不锈钢基体中广泛应用于金属基复合材料（MMCs）中。由于其高硬度、高弹性模量、良好的热化学稳定性以及相对较低的密度，TiC被认为是一种理想的增强材料。然而，尽管TiC在提高机械性能方面表现出色，其颗粒尺寸对材料性能的影响仍然存在争议。本文通过直接的多模式证据，研究了在选择性激光熔化（SLM）过程中TiC颗粒的溶解和再沉淀行为，并探讨了颗粒尺寸对固相转变、相演化和强化机制的影响。研究结果为金属基复合材料在增材制造中的优化提供了重要的指导，同时也揭示了TiC颗粒尺寸对功能梯度材料（FGMs）性能的控制作用。

在SLM工艺中，材料经历极端的冷却速率和热梯度，这导致了非平衡固相转变和独特的微观结构特征。研究团队通过构建具有三层结构的功能梯度材料，探讨了不同颗粒尺寸的TiC对材料性能的影响。纯316L不锈钢层（L1）表现出粗大的柱状晶粒，而添加了10 wt%细颗粒TiC的第二层（L2）和添加了10 wt%粗颗粒TiC的第三层（L3）则分别呈现出更精细的等轴晶粒结构。这种晶粒细化是由于TiC颗粒在熔融金属中提供了异质形核位点，从而显著改变了固相转变行为。此外，研究还发现TiC颗粒能够通过Zener钉扎效应进一步抑制晶界迁移，从而提升材料的强度。

通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究团队揭示了晶粒尺寸和晶界特征的变化。细颗粒TiC在L2层中表现出更高的高角度晶界（HAGB）分数，达到96.6%，而粗颗粒TiC在L3层中的HAGB分数为93.3%。这一发现表明，细颗粒TiC能够更有效地促进晶粒细化和晶界均匀分布，从而增强材料的机械性能。同时，高分辨率扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析进一步证实了两种不同的次级TiC颗粒：一种是来源于主TiC颗粒机械碎裂的晶内颗粒，尺寸约为100-300纳米；另一种是在晶界处形成的纳米级沉淀物，尺寸更小且分布更均匀。这些次级颗粒的存在不仅影响了材料的微观结构，还对机械性能产生了积极影响。

在机械性能方面，研究发现细颗粒TiC增强的L2层表现出最高的屈服强度（847±18 MPa）和抗拉强度（1042±10 MPa），分别比纯316L不锈钢提高了约90%和62%。然而，这种增强伴随着较低的延展性，这主要是由于细颗粒TiC的高硬度和脆性。相比之下，粗颗粒TiC增强的L3层虽然也表现出增强效应，但其机械性能略低于L2层。这一结果表明，TiC颗粒尺寸在机械性能优化中起着关键作用，细颗粒TiC能够更有效地促进晶粒细化和晶界强化，而粗颗粒TiC则主要通过晶界沉淀物的形成来增强材料性能。

为了进一步理解TiC颗粒尺寸对材料性能的影响，研究团队进行了详细的强化机制分析。这些机制包括晶粒细化（Hall-Petch效应）、Orowan环路强化以及载荷传递效应。通过这些机制的协同作用，细颗粒TiC能够实现更高的综合强化效果。同时，研究还发现，细颗粒TiC在熔池中的分布更为均匀，这有助于提高材料的均匀性和整体性能。相比之下，粗颗粒TiC由于其较低的表面积与体积比，导致其在熔池中的溶解和再沉淀过程更为有限，因此对材料性能的提升效果不如细颗粒TiC显著。

此外，研究团队还通过热力学模拟和实验观察，探讨了TiC颗粒在SLM过程中的溶解-再沉淀行为。这些模拟表明，熔池中的高温和强烈的表面张力驱动流动（Marangoni对流）能够促进TiC颗粒的再分布，从而形成不同的TiC富集和贫乏区域。这些区域不仅影响了材料的微观结构，还对机械性能产生了显著影响。通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究团队确认了这些次级TiC颗粒的化学组成，并进一步揭示了它们在材料中的分布规律。

总的来说，本研究通过系统的实验和模拟分析，揭示了TiC颗粒尺寸对SLM制备的316L/TiC复合材料微观结构和机械性能的影响。细颗粒TiC能够更有效地促进晶粒细化、增强晶界强化和提高材料的整体强度，而粗颗粒TiC则主要通过形成晶界沉淀物来实现增强效果。这些发现不仅为金属基复合材料的优化设计提供了理论依据，还为增材制造中材料性能的调控提供了实用指导。