摘要
为满足航空航天领域对构件轻质高强和耐高温的性能需求，复合热防护材料与结构的设计正朝着承载与防热一体化方向发展。通过对整体构件进行多材料一体化设计与制备，可突破材料局限性，有助于实现材料-结构-性能一体化。因此，本文采用激光粉末床熔融（LaserPowderBedFusion，LPBF）技术一体化成形Ti/Al层状复合材料（Ti/AlLayeredMetalComposite，Ti/AlLMC），通过介观尺度模拟和工艺试验的方法，研究界面热行为对于Ti/AlLMC界面冶金结合的作用机制，并研究LPBF工艺参数对材料成形性、过渡区微观组织、开裂行为、力学性能以及高温抗氧化性能的影响，揭示材料过渡区微观组织演化机理。主要结论如下： 构建了高能激光与Ti/AlLMC交互作用的介观尺度物理模型，研究工艺参数对试样LPBF成形过程中界面热行为的影响规律。研究表明：随钛层激光扫描速度（vTi）的增加，最大温度梯度由50.16℃/μm增至57.98℃/μm，由上表面至Ti/Al层界面处，温度梯度呈现先大幅下降再回升然后再降低趋势，在Ti/Al界面至基板层，温度梯度变化趋势先增加后减小。界面温度和液相存在时间的增加有助于已成形Al层重熔，从而在界面处形成良好的冶金结合。当vTi过快时（超过1200mm/s），铝层重熔深度减少，钛层与铝层熔合不充分，出现分层和开裂现象。 针对Ti/AlLMC试样LPBF成形的激光工艺调控问题，系统研究vTi对试样成形质量、界面结合及力学性能的影响规律。研究发现，当vTi和PTi分别为800mm/s，200W，获得的Ti/AlLMC样品成形性良好，Ti层与Al层界面结合良好，且致密度最高（97.27%）。在成形过程中钛与铝发生扩散反应生成TiAl3，且TiAl3从铝层向钛层择优生长。由于铝层附近有足够的铝原子，树枝晶尺寸较粗大。随着枝晶的生长，铝原子含量降低，枝晶生长受到限制，尺寸减小。当vTi为800mm/s时，显微硬度梯度变化，同一层硬度值稳定，TiAl3的产生和致密度的提高使试样耐磨性提高。此时Ti/AlLMC的COF为0.589，磨损率为10.4×10-4mm3/(Νm)。 在钛层工艺参数优化的基础上，进一步优化铝层工艺参数，发现当vTi和PTi为800mm/s，200W，vAl和PAl为2200mm/s，350W时，试样成形质量良好。以铝层加工参数为研究对象，研究试样的高温抗氧化性能。研究结果表明，当钛层和铝层均为最优工艺参数时，试样表现出优异的高温抗氧化性能，氧化增重最低为0.214mg/cm2。XPS分析表明，Al2p经分峰拟合后得到两个峰，结合能分别为74.08eV和74.58eV，这表明氧化后试样中的Al元素以TiAl3和Al2O3的形式存在。高温氧化试样后试样中残余的钛和铝完全反应生成TiAl3、Al2O3、TiO2，层状结构消失，TiAl3在试样中均匀分布，由于组织均匀化使试样耐磨性提高。
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