一、课题来源及研究的目的和意义TC4钛合金Ti-6Al-4V因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的高温性能已成为航空航天、舰船动力系统及高超声速飞行器热端部件的关键结构材料。在追求减重增效的背景下其在飞机骨架、发动机支架、导弹挂架等部件中的用量持续攀升占比超过钛合金结构件总量的50%。采用增材制造技术直接成形复杂拓扑结构件可进一步实现轻量化设计与功能集成显著提升装备续航能力与机动性能具有重大的战略价值和工程意义。为突破TC4合金强度与耐磨性瓶颈引入高硬度陶瓷相进行原位或外加强化成为研究热点。近年来碳化钽TaC因其极高熔点3880℃、硬度2800HV及与钛基体匹配的热膨胀系数展现出优于TiC、TiB₂等传统增强相的界面稳定性。研究表明TaC不仅可作为异质形核核心细化晶粒还能通过弥散强化机制显著提升材料的高温强度与抗磨损性能为构建高性能钛基复合材料提供了新路径成为增材制造领域前沿方向。尽管TaC增强潜力巨大但在电弧增材制造过程中仍面临严峻挑战一方面高能量输入易导致TaC部分分解与钛基体反应生成脆性TixCoy或Ta-Al金属间化合物恶化界面结合另一方面TaC密度大13.9 g/cm³在熔池中易沉降团聚造成组织不均和应力集中。现有研究多集中于激光或电子束工艺针对低成本、高效率的CMT电弧增材中TaC层间添加的工艺-组织-性能关联机制尚不清晰缺乏系统性工艺窗口优化与稳定化控制策略严重制约其工程化应用。本研究聚焦CMT电弧增材制造中TaC颗粒层间添加工艺通过优化参数与添加方案调控微观组织演变解决团聚与界面反应难题实现强度与耐磨性协同提升为高性能钛基复合材料的低成本制造提供技术支撑。二、国内外研究现状TC4钛合金因其高比强度、优异耐蚀性而被广泛用于航空航天主承力构件但表面硬度低、耐磨性差、高温软化明显限制了其在摩擦副及高温段构件上的直接应用[1]。电弧增材制造WAAM以电弧为热源、丝材为填料单道沉积效率可达1–4 kg h⁻¹已成为大尺寸钛合金毛坯快速制造最具工程化前景的技术路线[2]。然而WAAM逐层堆积带来的粗大柱状β晶与网篮α′马氏体使构件屈服强度各向异性指数IPA高达4.8–28.7且表面缺乏硬质耐磨相。近年来将高熔点TaC陶瓷颗粒引入钛基体成为同步提升强韧性及耐磨耐蚀性能的研究热点。李柯萱等[3]综述指出WAAM热输入高0.5–2.0 kJ mm⁻¹、熔池尺寸大导致β晶粒沿沉积方向定向长大形成粗大网篮α′马氏体构件室温延伸率仅6%–9%。孙康等[14]通过Abaqus数值模拟发现随着增材层数增加熔池最高温度升高冷却速率下降在增材开始与结束处出现残余应力集中层间重熔可降低应力集中但无法消除耐磨相缺失带来的表面软化问题。史莹莹等[4]研究表明沉积态TC4平均抗拉强度999.67 MPa延伸率6.23%IPA高达28.7经870 ℃/1 h炉冷600 ℃/2 h空冷固溶时效后IPA降至5.56但硬度仍不足350 HV难以满足耐磨需求。许建平等[5]设计Ti-WC系药芯焊丝在TIG电弧熔覆中制备4种WC含量0–20%钛基涂层发现涂层硬度随WC增加由420 HV升至780 HV磨损率降低55%但WC与Ti反应生成Ti₂Co脆性相耐蚀性在12%WC时最佳。张峻锋等[6]采用高效短电弧铣削加工TC4深窄槽发现钨铜电极在27 V、2000 Hz、60%占空比、2.4 mm min⁻¹进给下材料去除率127 mm³ min⁻¹表面粗糙度22 μm但加工表面仍无硬质耐磨相。刘志等[7]进一步指出单纯热处理无法引入硬质相需通过复合化手段在WAAM过程中同步实现“晶粒细化硬质相弥散”。肖浚艺等[8]基于激光粉末床熔融PBF-LB/M模型计算表明TaC在钛熔体中溶解度积低lgK–8.91873 K溶解-析出动力学温和可抑制连续Ti₃Al脆性相生成。孙康等[9]在201不锈钢表面激光熔覆FeCoCrNi-TaC高熵合金涂层发现块状TaC与富Ta共晶碳化物协同强化硬度达637 HV磨损率较基体降低80%磨损机理由粘着磨损转变为轻微磨粒磨损。张逊熙等[10]在TIG熔覆中采用药芯丝材发现当WC添加量12%时综合性能最佳类比提出TaC添加量5–10%即可实现硬度650 HV且耐蚀性不降。张逊熙等[11]通过有限元模拟确定PBF-LB/M制备多孔TaC最佳参数激光功率180 W、扫描速度800 mm s⁻¹、层厚30 μm孔隙率50%、平均孔径40 μm线烧蚀率仅0.18 μm s⁻¹为WAAM丝材设计提供参考。薛添淇等[11]数值模拟表明WAAM层间重熔比30–50%颗粒经历“溶解-析出-再溶解”平均尺寸由5 μm细化至0.3 μm增强效果降低Ta原子在β晶界偏聚形成脆性α₂-Ti₃Al薄膜冲击韧性K_IC由75 MPa·m¹/²降至45 MPa·m¹/²。王益可等[12]指出快冷10³–10⁴ K s⁻¹条件下C原子扩散距离50 nm易形成亚稳TiC而非平衡TaC提出通过添加0.1–0.3 wt% Si抑制TiC竞争形核促进TaC异质析出获得“TaCTiC”核壳结构。三、研究内容本课题以TC4钛合金焊丝为基体材料TaC粉末为增强相采用CMT-WAAM技术结合层间添加工艺制备TaC颗粒增强TC4合金通过实验研究与理论分析相结合的方法优化制备工艺并揭示性能调控机制。主要研究内容如下1CMT-WAAM工艺参数优化系统研究电弧模式、送丝速度、焊枪行进速度、保护气氛等参数对TC4单壁墙成形质量致密度、表面粗糙度、尺寸精度的影响建立稳定的基体制备工艺窗口2TaC颗粒层间添加工艺开发设计粉末添加方案优化粘结剂配比及涂敷厚度解决增强相团聚与界面脆性相生成问题3复合材料组织与性能表征制备不同TaC含量的复合材料试样采用金相显微镜、扫描电镜SEM、X射线衍射仪XRD分析微观组织晶粒形态、增强相分布、界面结合状态通过拉伸试验、显微硬度测试、摩擦磨损试验评估材料的力学性能与耐磨性能4工艺一组织一性能关联分析揭示TaC含量及工艺参数对微观组织演变的影响规律阐明增强相的细化强化、弥散强化机制建立TaC含量一工艺参数一微观组织一力学性能的关联模型确定最佳制备工艺方案。综合以上数据测试复合材料的显微硬度分布维氏硬度及室温拉伸性能强度、延伸率并进行摩擦磨损试验分析TaC含量与材料强化/增韧机制的关系。四、研究方案1实验材料与设备实验以Φ1.2 mm TC4焊丝为基材45 μm TaC粉为增强相基板经除油、打磨、醇洗后备用粉末120 ℃真空干燥4 h配成膏体刮涂0.05–0.15 mm。采用CMT机器人增材系统99.999%氩气保护同轴尾拖20 L min⁻¹低热输入沉积TaC/TC4复合层。2实验方法层间添加法本实验采用“熔覆-涂敷-熔覆”的循环工艺。先CMT沉积TC4层停机后均匀刷涂TaC粉含微量有机粘结剂80 ℃烘干续焊时电弧重熔涂层并卷入颗粒逐层堆叠成复合试样。预处理选取TC4钛合金焊丝直径1.2 mm及TaC粉末对基板进行打磨、清洗处理基体工艺优化通过实验调整送丝速度、焊枪行进速度等参数制备TC4单壁墙试样检测成形质量并确定最优基体工艺复合材料制备采用层间添加法在TC4基体沉积过程中引入不同含量TaC颗粒制备系列复合材料试样3测试与分析方法光学显微镜观察钛合金宏观形貌晶粒大小变化电子显微镜 微观形貌表征 观察α晶粒变化 增强相分布形态 颗粒团聚行为EBSD表征晶粒取向 大小分布 织构强度变化XRD 相组成分析。对试样进行切割、打磨、腐蚀处理完成微观组织表征进行拉伸试验MTS电液伺服测试系统、显微硬度测试载荷500g保压15s及摩擦磨损测试干摩擦条件载荷250 N滑动速度 0.5 m/s整理实验数据对比不同工艺条件下材料的组织与性能差异建立优化工艺窗口。五、进度安排及要达成的目标2026年1月13日--4月05日查找相关文献分析课题完成开题报告、文献翻译及文献综述2026年4月06日--4月18日优化CMT-WAAM参数并制备TaC/TC4复合试样2026年4月19日--5月16日 完成金相测试分析、力学性能和耐蚀性能测试2026年5月17日--5月28日 完成数据整理和分析撰写论文和准备答辩本研究旨在利用冷金属过渡电弧增材制造CMT-WAAM技术通过层间定量添加TaC颗粒系统揭示工艺参数对TaC分布、界面反应及组织演化的耦合机制优选CMT-WAAM工艺参数与TaC添加量实现TC4强度、塑性和耐磨性协同提升。六、研究过程中可能遇到的困难以及解决的措施问题1层间涂敷法中粉末粘结剂配比不当导致涂层开裂且添加量难以精确控制影响成分均匀性。拟解决方案设计精确添加量控制方法电子天平实时监测质量变化优化粉末粘结剂配比保证涂敷效果稳定。问题2钛合金高温易氧化且多层沉积热积累导致基板变形影响成形精度。拟解决方案使用拖尾保护气氛装置配合焊枪气嘴连通高纯氩气避免沉积层氧化使用多夹具紧固基板防止热变形过大影响沉积。问题3TaC与钛基体润湿性差易团聚高温下易反应生成脆性相降低韧性。拟解决方案精确调控CMT热输入控制熔池温度与时间通过微观分析SEM/XRD优化工艺抑制有害反应改善界面结合。七、参考文献王禹同,魏守征,饶文姬,等. TC4钛合金表面热浸镀Al-Mg5合金镀层的Ti/Al界面特性 [J]. 材料热处理学报, 2026, 47 (01): 154-163. 、于卓立,龙伟民,朱世博,等. 扩散焊温度对TC4/GH4169接头组织和性能的影响 [J]. 材料热处理学报, 2026, 47 (01): 195-202. 、李柯萱,王义朋,廖伯凯. 电弧送丝增材、激光选区熔化增材和传统TC4钛合金钝化行为的对比研究 [J]. 中国腐蚀与防护学报, 2026, 46 (01): 186-192.史莹莹,尹春春,毛玲玲,等. 稳弧制度对高铁TC4铸锭中铁元素均匀性的影响 [J]. 世界有色金属, 2025, (22): 216-219.许建平,巩春志. 空心阴极真空电弧焊钛合金接头焊接特性 [J]. 稀有金属材料与工程, 2025, 54 (12): 3084-3090.张峻锋,胡国玉,高伟,等. 高效短电弧TC4钛合金深窄槽加工实验研究 [J]. 机床与液压, 2025, 53 (19): 85-93.刘志,张铮,孙超臣,等. 机床导轨表面激光熔覆FeCoCrNi-TaC高熵合金复合熔覆层组织及耐磨性 [J]. 应用激光, 2025, 45 (06): 33-40.肖浚艺,胡校锋,卢昆,等. Ti/Al异种合金MIG电弧熔钎焊工艺及界面结合机理 [J]. 青岛科技大学学报(自然科学版), 2025, 46 (03): 110-118.孙康,肖笑,石红信,等. 钛合金电弧增材制造温度与残余应力数值模拟 [J]. 材料热处理学报, 2025, 46 (04): 202-210.张逊熙,曹洪涛,赵正星,等. 用于碳化硅晶体生长的多孔碳化钽材料制造理论研究 [J]. 信息记录材料, 2025, 26 (01): 1-5.薛添淇,张敏,闫少帅,等. WC添加对电弧熔覆钛基涂层微观组织及性能的影响 [J]. 电焊机, 2024, 54 (11): 66-74119.王益可,李仁花,陈玉华,等. 电弧增材制造TC4微观组织调控及力学性能研究 [J]. 精密成形工程, 2024, 16 (11): 135-143.