铝合金密度低、塑性好，具有良好的导热性、导电性和耐腐性[1]，是航空航天[2-3]、交通运输[4-6]、海洋船舶[7]及其他装备制造行业[8-9]的关键基础材料。尤其在航空航天领域，飞机的铝合金使用量达到70%[10]。随着装备性能的不断提升，传统铝合金已经达到了强度极限，很难再有突破性的发展，因此对高强度铝合金的需求更加迫切。铝基复合材料 （Aluminum based matrix composites，AMCs）可以将铝合金基体和硬质增强颗粒结合[11]，使得铝合金的强韧性进一步提高。
目前，铝合金制件的成形制造主要以工艺流程复杂且依赖模具的铸造、锻造、挤压等传统技术为主。随着装备性能的发展，传统技术不仅难以满足复杂结构整体成形的要求，更难以满足随装备设计变化所需快速响应的短流程制造需求。增材制造技术是根据三维模型直接成形的生产制造技术，可以快速近净成形复杂构件。近年来，增材制造技术[12-15]开始广泛应用于金属构件的制造，采用材料逐渐累加的方式直接、短流程[16]地制造零件，使各种复杂结构的轻量化设计到整体制造成为可能。目前，金属增材制造根据热源的不同，可以分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造 （Wire arc additive manufacturing，WAAM）。电弧增材制造相比于其他两种金属增材制造技术，具有设备简单、能量利用率高、对环境要求低和可制造大型零件[13，17]的优势，开始广泛应用在铝合金材料以及铝基复合材料制备领域。Cong 等[18]采用超声波脉冲变极性TIG 制备了2024 铝合金薄壁结构，发现超声频率脉冲电弧可以提高试样的垂直拉伸性能，改善性能的各向同性。此外，Fu 等[19]使用电弧增材制造技术制备了TiC/AA7075 复合材料，结果表明，TiC 纳米颗粒的加入提高了铝合金的动态力学性能。Sun 等[20]使用直接送粉法和送丝复合电弧增材制造了添加B4C、SiC、TiC 和WC/W2C 颗粒的铝基复合材料，结果表明，陶瓷颗粒的加入可以提高复合材料的硬度和耐磨性。但是，直接制作复合焊丝成本过高，且制作焊丝需要将增强粉末加入熔融状态的金属，持续的高温会破坏增强颗粒的结构；直接送粉法会影响电弧稳定性，影响成形质量，且粉末材料的利用率较低。
本文提出了一种普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的TiC/Al6061 复合材料电弧增材制造的新方法。基于TiC 颗粒合适的比重[20]、润湿性好[21]和强金属性[22]等优点，通过使用Al6061 铝箔包裹TiC 和Al6061 混合粉末制备特殊填料焊丝的方法，快速、方便地将TiC 颗粒引入基体材料，并开发了相关的送填料焊丝设备，制备了TiC 质量分数不同的TiC/Al6061 复合材料，详细对比分析不同质量分数的TiC 对TiC/Al6061 复合材料微观组织、物相成分和力学性能的影响规律和机理。
1 试验装置及材料制备方法
1.1 复合材料制备的试验装置
本文使用电弧增材TiC/Al6061 复合材料制备装置及成型过程如图1 所示。焊接电源为逆变式交直流脉冲氩弧焊机，运动控制装置为三轴数控平台，采用普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的方法制备TiC/Al6061复合材料。
图1 TiC/Al6061 复合材料电弧增材制造装置及成型方法
Fig.1 TiC/Al6061 composite material arc additive manufacturing device and molding method
1.2 增强粉末和填料焊丝的制备
本文采用的是普通焊丝和特殊填料焊丝同时送进的方法，其中特殊填料焊丝采用Al6061 铝箔包裹TiC 和Al6061 的混合粉末。因此，要制备不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料，需要计算TiC 颗粒的质量分数，即
式中，CTiC 为TiC 颗粒的质量分数，mTiC、m焊丝、m铝粉和m铝箔 分别为TiC 粉末、焊丝、铝粉和铝箔的质量。
第1 步，计算使用的焊丝质量，即
式中，ρ 为焊丝密度；R 为焊丝半径；F 为送丝速度；S 为送丝时间。
第2 步，据式 （1）和 （2），以及复合材料中TiC 的质量分数，计算需要加入的TiC 颗粒的质量，然后量取TiC颗粒。本文所使用的TiC 颗粒尺寸为800 nm。将量取的TiC 颗粒和Al6061 粉末混合，制备TiC 和Al6061 混合增强粉末，制备流程如图2 所示。
图2 增强粉末制备流程
Fig.2 Reinforced powder preparation process
具体流程如下：先将TiC 分散在无水乙醇溶液中（TiC 和无水乙醇的质量比为1∶200），经过12 h 的超声振荡后使其充分分散和均匀混合；然后将一定量的铝粉加入TiC-无水乙醇悬浊液中，经过12 h 的超声振荡后，在加热磁力搅拌下处理至混合溶液为糊状，再经过80 ℃的真空干燥6 h，得到混合粉末；为了进一步增加TiC 的分散均匀性，最后使用真空球磨对混合粉末进行处理。球料质量比为3∶1，转速为250 r/min，采用分段球磨法球磨3 h。3 种不同TiC 质量分数的TiC 和Al6061 混合增强粉末的SEM 照片如图3 所示。
图3 不同TiC 质量分数的TiC 和Al6061 混合增强粉末
Fig.3 Mixed TiC and Al6061 reinforced powders with different TiC mass fractions
第3 步，制作填料焊丝。将相应重量的TiC 和Al6061混合粉末均匀地包裹在铝箔之中。在填料焊丝制作完成后对其进行压紧操作排除内部空气，使其变为矩形截面的填料焊丝 （图4）。为防止制作过程中填料焊丝表面粘附杂质，使用无水乙醇擦拭表面并在恒温烘干箱内烘干。
图4 填料焊丝示意图
Fig.4 Schematic diagram of filler wire
2 结果与讨论
本文所用的焊接电流为180～160 A，随着焊接层数的增加电流逐渐降低；焊接速度4 mm/s、送焊丝速度240 mm/min、送自制焊丝速度240 mm/min。
2.1 试样切取位置
通过图1 的装置制备如图5 所示的堆积试样，每种组分分别堆积3 个试样，并在图5 所示的位置取样分别制备拉伸试样、金相组织、显微硬度和物相观测试样，其中每个堆积试样切取3 个拉伸试样。根据GB/T228.1—2010 切取拉伸试样，拉伸试样的尺寸如图6 所示。
图5 试样取样位置
Fig.5 Specimen sampling location
图6 拉伸试件尺寸（mm）
Fig.6 Tensile specimen size (mm)
2.2 物相分析
为了探究不同质量分数的TiC 颗粒对电弧增材制造TiC/Al6061 复合材料试样析出相的影响，利用X 射线衍射仪对试样进行物相分析，分析结果如图7 所示。可以看出，随着TiC 颗粒的加入，检测到了TiC 的衍射峰，随着TiC 质量分数的逐渐增加，TiC 的衍射峰逐渐变强，可知TiC 颗粒未被完全分解，并且作为异质形核使晶粒细化。从图7（b ）、（c）和（ d）中可以看出，随着TiC 颗粒的逐渐增多，Si 的衍射峰变弱。如图7（c）所示，当TiC的质量分数为2%时，Si 的衍射峰强度最低，这是因为在电弧增材制造铝基复合材料过程中Si 发生了固溶[23]，同时Si 元素和部分TiC 在界面上发生化学反应，生成Ti-Si 化合物[24-25]，使得Si 的衍射峰强度减弱。此外，随着TiC 颗粒的加入，物相中检测到了Al4C3，这是部分被分解的TiC 产生了游离的C，C 和Al 基体发生界面反应，生成的硬脆相[26-28]。
图7 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的XRD 图谱
Fig.7 XRD patterns of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
2.3 微观组织
图8 为未添加TiC 颗粒和添加TiC 颗粒的样品沿沉积方向的截面微观组织和晶粒尺寸统计图。晶粒尺寸使用复旦大学开发的Nano Measurer 软件进行统计。通过对比可以发现，未添加TiC 颗粒的试样中，晶粒主要为柱状晶粒和粗等轴晶。其中，柱状晶有明显的方向性；添加TiC 颗粒后，晶粒由柱状晶和粗等轴晶向细等轴晶转变，晶粒的平均尺寸减小；当TiC 质量分数为3%时，和未添加TiC 颗粒相比，晶粒全部转变为细等轴晶，晶粒尺寸由45.5 μm 细化至25.3 μm，均晶粒尺寸缩小了44.4%。这是因为TiC颗粒可以充当非自发形核的核心[29]，在凝固过程中，形成异质形核使晶粒细化。随着TiC 质量分数的增加，提供给铝熔体的异质形核点增加，晶粒细化越明显。此外，随着TiC 质量分数的逐渐增加，晶粒的生长方向从沿堆积方向生长逐渐变为无序生长。这表明，TiC 颗粒的加入使得晶粒生长方向区趋于随机。
图8 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的金相组织及晶粒尺寸统计图
Fig.8 Metallographic microstructure and statistical graphs of grain size of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
图9 为添加不同质量分数TiC 颗粒的SEM 图。可以看出，随着TiC 质量分数的增加，越来越多的TiC 颗粒分布于晶界。这些TiC 颗粒在晶粒长大的过程中被推到凝固前沿，并阻碍了晶粒的生长[30]。
图9 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的SEM 图
Fig.9 SEM images of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
图10 为TiC 质量分数3%的TiC/Al6061 复合材料试样EDS 各元素总谱图。可以看出，EDS 图谱中检测到了Ti 和C，证明了晶界处的颗粒为TiCx 相[31]，根据2.2节的物相分析，推测其可能为TiC。
图10 TiC 质量分数3%的TiC/Al6061 复合材料试样EDS 各元素总谱图
Fig.10 EDS total spectrum of each element of TiC/Al6061 composite specimen with TiC mass fraction of 3%
2.4 力学性能
图11 为不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的拉伸性能，可以看出，随着TiC 质量分数的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐增加，延伸率则呈现下降趋势。当TiC 质量分数增加到3%时，试样的抗拉强度和屈服强度达到最大值，分别为178.1 MPa 和157.3 MPa，相比沉积态分别提升19.9%和33.3%，延伸率降低了13.3%。说明TiC颗粒的加入提高了复合材料的强度，但是降低了塑性。
图11 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的拉伸性能
Fig.11 Tensile properties of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
图12（a）为不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的显微硬度分布图，图12（b）为添加不同质量分数TiC 颗的TiC/Al6061 复合材料试样平均硬度分布图。从图12（b）中可以看出，随着TiC 质量分数的增加，试样的硬度呈现逐渐上升的趋势。当TiC 质量分数3%时，试样的硬度最高，分布区间为60 HV～ 70HV，平均显微硬度增加至65.2HV，相比沉积态，平均硬度提升了29.1%。
图12 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样硬度
Fig.12 Hardness of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
图13 为不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的拉伸断口形貌。可以看出，随着TiC 质量分数的增加，韧窝的大小趋于稳定。但韧窝变浅且数量增多，表明得出的复合材料的塑性随TiC 质量分数的增加而降低[23，32]，可以看出，断裂方式都表现为有韧窝的塑性断裂。
图13 不同TiC 质量分数的TiC/Al6061 复合材料试样的断口显微形貌
Fig.13 Fracture microscopic morphology of TiC/Al6061 composite specimens with different TiC mass fractions
由上文分析可知，TiC 颗粒的添加使得复合材料强度提升，主要原因： （1）TiC 颗粒的添加使复合材料晶粒尺寸减小，根据Hall-Petch 理论[33]，晶粒的细化也可以提高强度和硬度； （2）根据Orowan 机制[34]，外部载荷作用下，第二相的TiC 颗粒阻碍运动中的位错继续运动，从而提高复合材料的强度； （3）TiC 颗粒的强度比Al 基体的高，在受到外部载荷时，TiC 颗粒可以承载并传递一部分载荷，从而对铝合金起到直接强化[35-38]的效果； （4）由于TiC 颗粒和Al 基体的热膨胀系数不同，在铝合金电弧增材制造的熔池形成和凝固过程中，两者的冷却收缩程度不同，产生热应力，使TiC 颗粒和基体中的位错密度提高，从而起到间接强化效果[15，39] 。同时，由于复杂的界面反应，部分TiC 颗粒在熔池冶金过程中分解，与合金基体发生界面反应，生成了脆硬相Ti-Si 化合物和Al4C3，使得复合材料硬度增加，但增强相与金属基体之间结合减弱，从而降低理论的增强效果及材料的塑性。
3 结论
本文研究了不同质量分数的TiC 对电弧增材制造铝基复合材料组织与性能的影响，从微观组织、力学性能等方面展开分析，得出以下结论。
（1）添加TiC 颗粒有助于细化晶粒，改变晶粒生长方向。随着TiC 质量分数的增加，试样的平均晶粒尺寸由45.5 μm 细化为25.3 μm，细化了44.4%；晶粒种类由柱状晶向细等轴晶转变，且组织更加均匀。
（2）随着TiC 质量分数的增加，试样的抗拉强度和屈服强度都有较为明显的提升，最高抗拉强度提升至178.1 MPa，屈服强度为157.3 MPa，分别提升了19.9%和33.3%，延伸率下降；硬度由50.5HV 提升至65.2HV，提升了29.1%。
（3）本文为电弧增材制造技术制备复合材料提供了新思路新方法，为后续的研究奠定了基础。
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