1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1研究背景
钛是20世纪50年代蓬勃发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性强、耐热性好和低温性能好的特点，广泛应用于航空航天、军工、医疗器械等领域，是金属材料王国中的“全能金属”[1]。
TC4（Ti-6Al-4V）是一种α β型两相钛合金，含有6%的α稳定元素Al，可使α相得到强化；4%的β稳定元素V使β相保持到室温[2]。根据不同需要，进行去应力退火（600℃保温，空冷）、普通退火（700~800℃）、再结晶退火（940℃保温后炉冷至480℃空冷）等热处理工艺可获得良好的综合性能。淬火时效后，又产生了弥散强化，使其机械性能、疲劳寿命和蠕变性能进一步提高[3]。
TC4综合性能良好，使用温度范围较宽（400~-196℃），组织稳定，工作可靠，工艺方法简单，可大规模生产。在制造发动机风扇、压气机盘、叶片和飞机机身机翼零件等领域已取得了大量应用。随着航空航天、军事及汽车制造领域的迅猛发展，对钛合金的力学性能提出了更高的要求，传统的热处理工艺无法解决使提高其综合性能[4]，当前的TC4材料难以达到使用要求。研究人员考虑到在钛合金基体中加入高强度、高刚度的增强相来制成钛基复合材料，克服了钛合金耐磨性差、硬度低和弹性模量低等不足[5]。颗粒增强钛基复合材料具有各向同性、制备方法简单、成本低等优点，并且可以通过后续加工改善其组织性能，具有十分广泛的应用前景。
1.2增强相的选择
金属基复合材料增强相一般是高强、高硬、难熔的氧化物、碳化物、硼化物，或者金属间化合物。选择增强相时，不仅要考虑具有优异的刚度和强度等力学性能，还需要考虑增强相与基体物理和化学性能的适配性，增强相与基体之间是否相容，热膨胀系数是否相近和高温性能是否稳定性等[6]。如表1所示为几种常用的钛基复合材料增强体的物理特性参数。
表1、钛基复合材料中常用增强相的性能[7]
| 物相 | 密度g/cm3 | 熔点K | 热膨胀系数10-6K-1 | 弹性模量GPa |
| TiC | 4.93 | 3433 | 7.15 | 440 |
| TiB | 4.57 | 2473 | 8.6 | 550 |
| TiB2 | 4.53 | 3253 | 7.6 | 500 |
| SiC | 3.19 | 2970 | 4.63 | 430 |
| Ti | 4.5 | 2226 | 7.5 | 100 |
当选择TiC作为增强相时，TiC在熔体中的析出形态不易控制，经常生长为粗大的树枝晶状，使得复合材料的综合性能降低。郭继伟等 [8]制备的TiC增强钛基复合材料中，TiC为初生树枝状和短棒状共晶组成。而SiC 与钛基体在界面处会发生反应，使得界面结合强度降低[9]。相比于其他几种增强体材料，TiB具有最高的硬度和弹性模量，与钛合金在热力学上相容，密度和热膨胀系数与钛相近，抗拉强度高。近年来研究表明，硼对钛合金的影响主要在两个方面[10]：使钛合金铸锭的晶粒明显细化，塑性上升；生成具有高强度和高硬度的陶瓷相TiB，提高了合金的强度和耐磨性。
黄立国等人[11]通过高温固溶及淬火处理发现：处于晶界的TiB晶须显著限制了β晶粒的高温长大。Huiyang Lu等人[12]通过粉末挤压法成功制备出了以TiB晶须作为增强部分的TC4基复合材料，具有很高的抗拉强度（1436 MPa）和屈服强度（1361 MPa）。黄菲菲等人[13]通过 TiB2与 Ti 的化学反应制备了 TiB 增强钛基复合材料，与铸态相比，抗拉强度提高了 62%，延伸率提高 5 倍多。
1.3钛基复合材料制备方法
传统制备钛基复合材料的方法主要有熔铸法、粉末冶金法和高温自蔓延法等。熔铸法[14]生产成本低，增强体与基体之间界面结合良好。但是钛基复合材料容易出现组织粗大、成分偏析严重等问题。粉末冶金法[15]凝固速度快，晶粒细小，材料组织均匀，性能稳定。但该方法工艺复杂，对加工设备要求高，难以制备大型零件和实现批量化生产。高温自蔓延法[16]反应速度快，凝固速度快，合成产物纯度优良。然而，生成增强相的大小和形貌难以控制，使得钛基复合材料致密度较差。
近年来，基于分层制造原理发展而来的增材制造技术蓬勃发展，是当今世界各国竞相发展的热点技术。增材制造是依据三维CAD数据将粉末材料成型为物体的快速成型技术。与传统的熔铸法、粉末冶金法相比，具有成型快、成本低、效率高及产品精度高等优势。增材制造现已实现了金属零件定向晶组织结构制造、光子晶体制造和生物组织器官制造等[17]，充分展示了该技术的优越性，拓展了制造技术的应用范围，为制造技术展示出新的发展前景。近年来，增材制造技术迅猛发展，并涌现出了选择性激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）、电子束熔化成型(ElectronBeam Melting, EBM)和分层实体制造（LaminatedObject Manufacturing，LOM）等一批新的技术[18]。其中将快速成型技术与激光熔覆技术相结合的选择性激光熔覆（SelectiveLaser Melting，SLM）不仅具有快速成型技术的一般优点，而且所获得的金属零件为冶金结合，致密度高达99%，提高了零件的机械性能[19]。目前，德国、美国和日本等都在大力研发采用SLM工艺成型的金属零件。德国EOS公司的EOSINTM270设备，德国Concept Lasers公司的M3快速成型设备，Phenix-systems公司的PM250设备都可用于金属材料的激光快速成型[20]。国内华南理工大学[21]、华中科技大学[22]对SLM的研究较早，并且已经实现了工业化应用。
目前，选择性激光熔覆（SLM）技术已经较为成熟。我国目前在该项目方向处于国际领先地位，具有制备大尺寸结构件的能力，在航空航天领域和军事领域已经开发出工业级应用。目前SLM成型材料主要有不锈钢、铝合金及钛合金等。与铸造法和粉末冶金法相比，具有节能高效，生产周期短，所得零件致密度好，精度高的特点。近年来，利用选择性激光熔覆技术制备钛合金的研究已经引起各国学者的重视。H.Attar等人[23]使用SLM生产商业纯钛部件，使其显微硬度、抗压和抗拉强度提高到261 Hv、1136 MPa和757 MPa。Bnisch等人[19]运用SLM技术制备原位Ti/TiB基复合材料，其显微硬度、屈服强度和抗压强度相比于SLM处理的CP-Ti材料有明显增加。但是为了获得最优良的综合性能，其工艺参数仍有待优化调整。本课题拟通过选择性激光熔覆（SLM）技术制备TC4（Ti-6Al-4V）/TiB复合材料，并对复合材料的组织结构和力学性能进行研究，以期望在以后的研究中起到指导作用。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：以TC4（Ti-6Al-4V）为基体材料，TiB为增强体材料，采用选择性激光熔覆成型；
性能测试：制备拉伸试样，测试其拉伸性能，并利用万能材料测试机、纳米压痕等技术研究产物的机械性能。
2.2 研究目标
1、掌握选择性激光熔覆制备TC4（Ti-6Al-4V）/TiB复合材料的方法，研究其最佳工艺参数；
2、制备拉伸试样，测试其拉伸性能，并利用万能材料测试机、纳米压痕等技术研究产物的机械性能；
3、对比TC4材料的机械性能，研究TiB在本实验条件下的强化机制。
2.3 技术方案
1、采用选择性激光熔覆法制备TC4（Ti-6Al-4V）/TiB复合材料。TC4粉粒径为0-45μm，化学成分如下：
表2、TC4原料化学成分（WT%）
| 元素 | Ti（%） | V（%） | Al（%） | O（%） | Fe（%） | C（%） |
| 含量 | Bal | 3.88 | 6.13 | 0.13 | 0.04 | 0.017 |
将质量分数为3%的TiB粉末加入到TC4粉中，真空烘干。球磨2小时。
2、通过选择性激光熔覆（SLM）工艺成型，铺粉厚度0.2mm，激光功率400W，制备4-6个试样测试其力学性能。
3、制备拉伸试样，测试其拉伸性能，并利用万能材料测试机、纳米压痕等技术研究产物的机械性能。
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4-10周：按照设计方案，制备tc4（ti-6al-4v）/tib样品。
第11-12周：采用万能材料测试机、纳米压痕等对试样进行分析。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]刘奇先.刘杨.高凯. 钛合金的研究进展与应用[j]-航天制造技术，2011,(4):45-48,55.
[2]张霜银. 激光快速成形tc4钛合金的组织和力学性能研究[d].西北工业大学，2006.
[3]刘闯. 渗碳、硼对tc4合金组织与性能影响的研究[d].辽宁工业大学，2013.
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