【摘 要】
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TiN纳米相增强Ti基复合材料结合了Ti基体的韧性和陶瓷增强相较高的强度和硬度,在航空航天、汽车制造领域具有非常诱人的发展前景。近年来SLM成形技术在高性能器件领域得到快速发展和广泛应用,可用于快速生产复杂高密度的Ti基复合材料零件。为了解决Ti基复合材料中增强相和基体界面结合性差、润湿性差及增强体的团聚行为等问题,比较有效的增强相引入方式为原位合成法。基于等离子球磨在实现Ti在N2气氛下的原位气
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TiN纳米相增强Ti基复合材料结合了Ti基体的韧性和陶瓷增强相较高的强度和硬度,在航空航天、汽车制造领域具有非常诱人的发展前景。近年来SLM成形技术在高性能器件领域得到快速发展和广泛应用,可用于快速生产复杂高密度的Ti基复合材料零件。为了解决Ti基复合材料中增强相和基体界面结合性差、润湿性差及增强体的团聚行为等问题,比较有效的增强相引入方式为原位合成法。基于等离子球磨在实现Ti在N2气氛下的原位气固反应方面具有很大的优势,故将其应用于SLM成形Ti基粉体的制备,以期制备出纳米TiN增强Ti基复合材料。此外,开展等离子球磨在扩展固溶度方面的研究,如进一步在Ti基复合材料中添加Al和V进行固溶强化以及对工业上应用的W-Cr粉体进行固溶体的制备也有很大的实际意义。首先,采用低球料比（60:1）、高转速（1350 rpm）的N2等离子球磨工艺对Ti粉球磨10 h,原位合成了含一定量纳米TiN增强相的Ti粉;再采用射频等离子球化对其进行球化处理得到球形粉体,Rietveld精修结果表明粉体中的TiN含量约为30%;接着将其与原始3D打印球形Ti粉以质量比1:9进行均匀混合,再进行SLM成形,得到了具有较粗大板状（粗晶）和较细小针状或片状（细晶）相互交错分布的双尺度双形态组织结构特征的块体零件。得益于这种双尺度结构,该零件致密度为96.1%,接近于原始3D打印粉体成形块体零件的96.8%;而其硬度高达365 HV0.5,拉伸强度可达1066 MPa,远高于原始粉体成形零件的硬度(192 HV0.5)和强度（532 MPa）。在此基础上,通过进一步改善等离子球磨工艺,将球料比降为30:1,转速不变,球磨时间为14 h,制备出了含N前驱体Ti粉,再通过射频等离子球化得到含合适TiN含量（Rietveld精修结果表明其约为22%）的Ti粉,并将之与原始3D打印Ti粉混合后进行SLM成形,也获得了双尺度双形态结构的块体零件。由于TiN含量稍降低,故该零件维氏硬度稍降低为344 HV0.5,但其延伸率有了很大提升,由之前的21.9%提高到33.4%,而其拉伸强度仍达到909 MPa,表明该零件在保持高强度的同时,延伸率大大提高,实现了高强度高塑性匹配。其次,分别采用N2等离子球磨和普通球磨对Ti、Al、V混合粉球磨12 h,结果表明N2等离子球磨同样能原位合成TiN,并能够同时促进Al和V的固溶,而普通球磨并无TiN生成,且无法使难互溶的V固溶到Ti中。该等离子球磨的粉体经球化处理后呈规则球状,粒径分布合理,且仅由Ti（Al、V）固溶体和TiN（Rietveld精修结果表明其含量约为48%）组成,再将其与原始3D打印Ti粉混粉后进行SLM成形,得到的块体零件其形貌也呈现为细小的片层状或针状组织和板状组织相互交错的双尺度结构。该零件维氏硬度得到进一步提高,达到了409 HV0.5,且其抗拉强度达到1039 MPa,这主要是归因于TiN增强相强化和Al、V的固溶强化的共同作用。最后,为了深入探讨等离子球磨的固溶机制,对电触头材料中的W-Cr体系进行了等离子球磨。结果表明,与普通球磨相比,等离子球磨6 h后Cr在W中的固溶度较高,并且等离子球磨10 h可以使Cr完全固溶得到W（Cr）过饱和固溶体。由于等离子球磨过程中引入了放电等离子体的加热效应,极大地降低了形成固溶体的热力学障碍,使得基于Miedema模型计算出的等离子球磨的W-Cr合金体系形成固溶体的吉布斯自由能变化仅为5.60 kJ/mol,低于普通球磨的6.70 kJ/mol。与此同时,等离子球磨中产生的较高的晶界储存能和位错应变能使其作为总驱动力（计算结果为6.37 kJ/mol）也更容易克服W-Cr体系形成固溶体的热力学障碍。
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