導語：

在增材制造的江湖里，激光就是那把最鋒利的劍。

但當同一種材料遇上不同的激光，竟有完全不同的效果？

Ti64作為航空航天領域的主力材料，雖然具備優異的比強度和耐腐蝕性，但耐磨性和高溫抗氧化性的不足一直制約著其在極端工況下的應用。

碳化鎢的引入為解決這一難題提供了新思路，但如何在增材制造過程中實現兩相材料的有效結合卻是技術挑戰。

來自俄羅斯科學院理論與應用力學研究所的團隊在《JOM》期刊上發表的最新研究，他們用CO?激光和光纖激光兩種能量源，對Ti64鈦合金與碳化鎢的復合材料進行了一場技術PK。

結果顯示，不同激光類型在處理同一種粉末時，竟然能產生截然不同的微觀結構和性能表現。

兩條技術路線的較量

這項研究的核心在于對比分析，但更重要的是，研究人員采用了兩種完全不同的3D打印成型技術。

第一種是激光表面熔覆（LSC），第二種是直接金屬沉積（DMD）。

如圖2所示，激光表面熔覆技術是將Ti64和碳化鎢的混合粉末預先鋪在基材表面，然后用激光熔化這層粉末形成熔覆層。

這種方法的特點是粉末與基材直接接觸，能夠形成強烈的冶金結合，冷卻速度極快。

研究中使用CO?激光（連續和脈沖模式）進行熔覆，激光功率1000W，掃描速度16mm/s，光斑直徑2mm，粉末層厚度400微米。

直接金屬沉積則完全是另一種玩法。

如圖2b所示，粉末通過同軸噴嘴直接送入光纖激光形成的熔池中，送粉速率7g/min。

這種方法的優勢在于能夠逐層堆積，形成立體結構，而且由于掃描和冷卻速度更快，能夠減少溫度梯度對二次相形成的影響。

AM易道認為，這兩種技術路線代表了激光增材制造的兩個重要分支。

熔覆技術更適合表面改性和修復，而DED技術則更適合復雜零件的直接制造。

原材料的精心搭配

實驗選用的原材料頗有講究。

如圖1所示，Ti64粉末（圖1a）呈現典型的球形形貌，這是氣霧化工藝的典型特征，球形度好意味著流動性佳。

碳化鎢粉末（圖1b）則呈現不規則的多面體形狀，這種形狀有利于在熔池中的分散和錨固。

兩種粉末按照Ti64 60%-WC 40%的重量比在V型混合機中混合一小時。

這個40%的碳化鎢含量相當高，足以顯著改變材料的性能。

碳化鎢不僅是硬質強化相，更重要的是，鎢元素能夠起到β穩定劑的作用。

碳化鎢的消失術

最引人注目的發現來自對碳化鎢顆粒溶解程度的定量分析。

如圖5所示，研究人員統計了不同激光處理后顆粒尺寸的分布情況。

連續CO?激光模式下，圖5a顯示仍有相當數量的大尺寸顆粒保留，相對尺寸達到0.9的顆粒依然存在。

脈沖CO?激光的溶解效果更為明顯，顆粒相對尺寸不超過0.5。

最為極端的是光纖激光，它幾乎完全溶解了碳化鎢顆粒，最大相對尺寸僅為0.25，總顆粒數量比連續CO?激光少了近10倍。

圖5b的頻率分布更直觀地展現了這種差異。

連續CO?激光在各個尺寸范圍都保留了較多顆粒，而光纖激光處理后的顆粒集中在小尺寸區間。

這種差異在顯微鏡下看得更清楚。

圖3展示了宏觀層面的差異：脈沖CO?激光（圖3b）確實實現了更均勻的陶瓷分布，而光纖激光（圖3c）處理后幾乎看不到明顯的陶瓷顆粒。

圖4則從微觀角度展現了顆粒周圍的反應層和新相的形成。

相變的奧秘

同步輻射X射線衍射分析揭示了材料內部發生的相變過程。

圖6的衍射譜線清晰地顯示了三種激光（光纖激光vs連續CO?激光vs脈沖CO?激光）處理方式的差異。

光纖激光處理的樣品（譜線1）中，β-Ti相的衍射峰明顯增強，α-Ti相的衍射峰顯著減弱，同時出現了TiC和(W,Ti)C等新相的衍射峰。

這表明鎢元素的大量溶解使鈦合金發生了完全的β穩定化。

CO?激光處理的樣品（譜線2和3）則保留了更多的α+β雙相結構，同時還能檢測到殘余的WC相。

連續和脈沖CO?激光的衍射圖案相似，但在細節上存在差異。

性能表現的全面對比

微觀結構的差異直接反映在宏觀性能上。

微硬度測試顯示了一個有趣的現象：脈沖CO?激光制備的樣品硬度反而較低（420±11 HV0.3），而連續激光制備的樣品硬度都達到了500±20 HV0.3。

這可能與脈沖模式下的特殊凝固過程有關。

摩擦性能測試結果更加復雜。

圖7a和圖7b分別展示了使用Si?N?球和WC球作為對磨材料時的摩擦系數變化。

所有添加了碳化鎢的復合材料摩擦系數都比純Ti64高，這個結果初看有點反常識。

在傳統認知中，添加硬質陶瓷顆粒（如碳化鎢）到金屬基體中，通常預期會降低摩擦系數。

但這項研究中摩擦系數反而增加了，可能的原因包括：

激光處理導致碳化鎢大量溶解，形成的新相（如TiC、W?C）可能具有不同的摩擦特性；

以及表面粗糙度變化：激光增材制造后的表面形貌與傳統工藝差異很大等等。

再看高速沖擊測試。

圖8展示了沖擊后的彈坑形貌，純Ti64樣品（圖8a）形成了規整的圓形彈坑，深度3.7毫米。

而Ti64-WC復合材料（圖8b）的彈坑深度僅為1.9毫米，邊緣還出現了典型的脆性破壞特征。

這種改善主要歸因于β相的形成和復合強化效應。

工藝機理的深層解析

研究人員通過數學建模解釋了不同激光的作用機理。

不同波長的激光在材料中的吸收系數差異巨大。光纖激光的1.07微米波長使得吸收系數遠高于CO?激光的10.6微米波長。

脈沖激光的特殊之處在于時間尺度的精確控制。60kHz頻率意味著脈沖間隔16.6微秒，而單脈沖持續時間小于1微秒。

這種間歇加熱模式增強了熔池內的馬蘭戈尼對流，促進了陶瓷顆粒的均勻分散。

AM易道認為，這種工藝參數的精密控制體現了增材制造技術的復雜度。

每個參數都有其物理意義，工程師需要在多個相互競爭的因素之間找到最佳平衡。

Ti64-碳化鎢復材的增材應用前景

Ti64-碳化鎢復合材料在增材制造領域的應用價值正在逐步顯現。

航空發動機葉片的激光修復是最典型的應用場景之一，傳統的焊接修復往往導致熱影響區性能劣化，而激光熔覆/增材制造技術能夠在葉片磨損部位精確沉積Ti64-WC復合材料，既恢復幾何尺寸又提升耐磨性能。

生物醫學領域同樣對這種復合材料表現出濃厚興趣。

鈦合金植入物的表面改性一直是研究熱點，碳化鎢的加入能夠顯著提高植入物與骨組織接觸面的耐磨性，延長使用壽命。

特別是在膝關節、髖關節等承載較大的部位，這種復合材料的優勢更加明顯。

石油鉆采裝備是另一個重要應用方向。

鉆頭、泥漿泵等關鍵部件在惡劣工況下工作，對材料的耐磨耐腐蝕性能要求極高。

通過激光增材制造技術，可以在基體表面制備Ti64-WC功能梯度涂層，實現表面硬化與基體韌性的完美結合。

AM易道認為，隨著激光增材制造設備的成本下降和工藝成熟度提升，Ti64-WC復合材料有望在更多工業領域找到用武之地。

關鍵在于如何根據具體應用需求選擇合適的激光類型和工藝參數。

最后聊聊技術選擇的智慧

這項研究揭示了一個重要問題：在實際應用中，我們應該如何選擇激光類型和工藝參數？

對于需要保留強化顆粒的應用，連續CO?激光熔覆可能是更好的選擇。

對于追求完全合金化和β穩定化的場合，光纖激光DED技術更有優勢。

脈沖模式則在顆粒分布均勻性方面表現突出。

從產業角度看，這種技術對比為高端制造提供了明確的技術路線圖。

AM易道粗略總結下來看，航空發動機葉片的修復可能更適合激光熔覆技術，而生物醫學植入物的制造則可能更需要DED技術的靈活性。

當我們談論3D打印技術發展時，往往被各種新概念所迷惑，但真正的技術進步往往體現在這些基礎工藝的深度優化上。

正如這項研究所展現的，同樣的材料配方，不同的激光和工藝組合就能帶來截然不同的結果。

這始終提醒我們，增材制造的未來不僅在于新技術拓展，工藝的深度挖掘將始終是關鍵一環。

文章來源

本文基于俄羅斯科學院西伯利亞分院理論與應用力學研究所在《JOM》期刊上的研究論文《Additive Manufacturing of Ti64–WC Coating Using Fiber and CO? Lasers》（DOI: 10.1007/s11837-025-07415-x）。

該研究得到了俄羅斯聯邦科學與高等教育部國家任務項目（No 124021500015-1）資助，實驗在西伯利亞同步輻射和太赫茲輻射中心以及ITAM SB RAS力學共享使用中心完成。

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