增材制造的優(yōu)勢在于可以靈活地調(diào)節(jié)合金成分，并且通過同步送粉即可合成多種粉末基的復(fù)合材料。在以往的研究中，已有大量關(guān)于增材制造制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究。然而，關(guān)于陶瓷顆粒的添加對于合金增材制造過程顯微組織演變（如原位析出）的影響卻鮮有報道。

來自華南理工大學(xué)、廣東省科學(xué)院等單位的研究人員提出通過加入SiC顆粒可以誘導(dǎo)C300馬氏體時效鋼（MS）原位析出相的形成，從而制備出SiC和原位析出相雙相增強(qiáng)的MS基復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Duplex strengthening via SiC addition and in-situ precipitation in additively manufactured composite materials”發(fā)表于復(fù)合材料學(xué)科頂級期刊《Composites Part B: Engineering》（2020年影響因子：9.078，中科院一區(qū)）。

論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109820

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（MMCs）由于具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時保持良好的韌性、高溫蠕變性能和疲勞強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通等領(lǐng)域。激光粉末床熔融(LPBF)是一種新型的制備MMCs的增材制造方法，獨(dú)特的逐層工藝方式突出了直接從粉末加工復(fù)雜和近凈形部件的優(yōu)勢，為簡化制備MMCs的工藝路線和交貨時間提供了巨大潛力。此外，通過LPBF制備MMCs還具有晶粒細(xì)化以及激光吸收率高的特點(diǎn)，從而使得所制備的復(fù)合材料擁有極佳的力學(xué)性能。

本文通過LPBF制備了含量為3、6、9、12、15、18vol% SiC顆粒增強(qiáng)MS基復(fù)合材料。首先，對MS-SiC復(fù)合材料的致密度進(jìn)行了表征，如圖1所示。在添加量低于12vol%時，復(fù)合材料內(nèi)部僅存在少量氣孔，且孔隙度隨SiC顆粒的加入變化不大。然而，當(dāng)SiC含量達(dá)到15和18vol%時，出現(xiàn)了一些裂紋和未熔合等缺陷。這可能是由于高熱導(dǎo)率的SiC顆粒在冷卻過程中顯著增加了熔池的熱導(dǎo)率，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。此外，SiC的加入使得復(fù)合材料的塑性下降，最終導(dǎo)致了材料內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。

圖1LPBF制備SiC顆粒增強(qiáng)MS基復(fù)合材料的致密度分析

圖2為SiC顆粒增強(qiáng)MS基復(fù)合材料的顯微組織。如圖（a）所示，原始態(tài)MS鋼的顯微組織為典型的胞狀結(jié)構(gòu)。隨著SiC顆粒的加入，復(fù)合材料的胞狀組織逐漸向枝晶組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)SiC含量大于12vol%時，復(fù)合材料內(nèi)部組織由枝晶組織主導(dǎo)，這與高熱導(dǎo)的SiC顆粒提高了熔池的凝固速率有關(guān)。此外，結(jié)合EDS結(jié)果表明，SiC的加入可以誘導(dǎo)復(fù)合材料內(nèi)部富C、Mo和Ti的顆粒生成，而這些顆粒在原始的MS鋼很少被觀察到，說明SiC的加入可能誘導(dǎo)了MS鋼增材制造過程中的原位析出。

圖2LPBF制備SiC顆粒增強(qiáng)MS基復(fù)合材料的顯微組織

進(jìn)一步對C300-MS和MS-3vol%SiC復(fù)合材料進(jìn)行TEM表征分析表明，原始態(tài)MS鋼內(nèi)部基本無析出相，而MS-3vol%SiC復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有大量納米析出相的產(chǎn)生，充分表明SiC的加入誘導(dǎo)了MS內(nèi)部原位析出相的形成。通過進(jìn)一步的HRTEM和STEM-EDS分析，這些析出相被確認(rèn)為Fe2Mo和η-Ni3Ti相。MS內(nèi)部原位析出相的形成使得該類復(fù)合材料為SiC和原位析出相雙相增強(qiáng)復(fù)合材料，可以預(yù)測這將進(jìn)一步增強(qiáng)MS基復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3（a）MS和（b-g）MS-3vol%SiC復(fù)合材料的TEM組織

力學(xué)性能測試表明MS-3 vol%SiC復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度（1611MPa）遠(yuǎn)高于MS鋼的抗拉強(qiáng)度（1165MPa），同時保持了10.1%的延伸率，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。通過與以往研究進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)本文中制備的SiC和原位析出相雙相增強(qiáng)MS基復(fù)合材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。

圖4本研究制備的MS-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能及與以往研究的對比

總的來說，本文通過LPBF制備了一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的SiC和原位析出相雙相增強(qiáng)MS基復(fù)合材料，并對SiC顆粒誘導(dǎo)MS鋼增材制造過程中原位析出的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入表征和分析，該方法同樣有望在其他金屬的增材制造中得到運(yùn)用，對增材制造制備金屬基復(fù)合材料具有重要指導(dǎo)價值。