頂刊綜述《MSER》：鋁合金增材制造孕育處理研究進(jìn)展

來(lái)源： 材料學(xué)網(wǎng)

基于粉末的增材制造（AM）,，即3D打印,，正在徹底改變先進(jìn)工程金屬材料的制造方式,。鋁（Al）合金作為汽車和航空航天行業(yè)的主力材料,，一直是增材制造領(lǐng)域的熱門(mén)研究材料,。然而,，在使用AM生產(chǎn)Al組件的廣泛應(yīng)用中仍然存在挑戰(zhàn),。鋁合金在增材制造過(guò)程中傾向于形成粗大、有織構(gòu)的柱狀晶粒,，這會(huì)導(dǎo)致熱裂紋和嚴(yán)重的性能各向異性,。

近期發(fā)現(xiàn)在AM中對(duì)Al合金進(jìn)行接種處理可成功實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化、裂紋消除和性能改善,，這在該領(lǐng)域是向前邁進(jìn)的關(guān)鍵一步,。本文綜述了關(guān)于AM制造Al合金接種處理的新興研究，并提供了不同接種技術(shù),、各種接種劑的細(xì)化效率及其潛在機(jī)制的全面概述,。本文首先概述了AM中的凝固特性，重點(diǎn)討論了外延晶粒生長(zhǎng)的機(jī)制（圖1）,。

圖1：在（a）傳統(tǒng)鑄造,，（b）增材制造和（c）受接種處理的增材制造中的生長(zhǎng)的固/液界面前的生成成分過(guò)冷 (), 熱過(guò)冷（以及成核所需的臨界過(guò)冷度（的示意圖.

隨后對(duì)AM過(guò)程中Al合金接種處理的最新進(jìn)展進(jìn)行了全面回顧，旨在為讀者提供AM制造Al合金中晶粒細(xì)化的最前沿知識(shí)（圖2-4）,。其中包括對(duì)Zr, Ti,，Sc，Ta等Al3X（X=Zr, Ti, Sc, Ta）形核劑形成元素及其化合物的整理，也回顧了混合接種技術(shù)在晶粒細(xì)化中的優(yōu)異表現(xiàn),。相比起其他細(xì)化劑,，原位形成的Al3X細(xì)化劑在晶粒細(xì)化方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。這可能和它們更加均勻的成分和尺寸分布有關(guān),。這種細(xì)化劑由于在AM過(guò)程中快速凝固的特性而具有納米級(jí)的尺寸,。在合理的添加范圍內(nèi)該納米顆粒不僅能提高強(qiáng)度，還不會(huì)明顯影響合金的塑性,。另外,，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)混合接種技術(shù)（即通過(guò)多種細(xì)化劑的接種）相比單一接種細(xì)化劑的細(xì)化效果高得多,。其中的機(jī)理研究表明,，混合細(xì)化劑可能會(huì)相互組合產(chǎn)生協(xié)同作用，進(jìn)一步降低基體鋁與細(xì)化劑的晶格錯(cuò)配,，提高細(xì)化效率,。

圖2：(a)AM制造7075鋁合金以及(b)接種ZrH2后的該合金晶粒形貌圖和（c）拉伸性能圖。（d-f）Zr在AM過(guò)程中的細(xì)化機(jī)理TEM分析（d）TEM明場(chǎng)圖,，（e）EDS元素分布以及（f）選區(qū)衍射花樣,。

圖3：AM制造含TiB2的AlSi10Mg鋁合金的（a）晶粒形貌圖和（b）微觀結(jié)構(gòu)圖。（c-f）TiB2在AM過(guò)程中的細(xì)化機(jī)理TEM分析,。

圖4：(a)AM制造7075鋁合金以及(b)單獨(dú)接種TiH2,，和（c）混合接種TiH2以及B的7075合金晶粒形貌圖。（d-f）混合接種的細(xì)化機(jī)理TEM分析（d）TEM明場(chǎng)圖,，（e）高分辨TEM圖以及（f）對(duì)應(yīng)的FFT圖,。該圖表明混合接種TiH2以及B形成了含Al3Ti薄膜的TiB2納米顆粒。相比起單獨(dú)的Al3Ti和TiB2,，這種復(fù)合顆粒的穩(wěn)定性和細(xì)化效果更好,。

此外，本文通過(guò)對(duì)AM制造鋁合金中現(xiàn)有的晶粒細(xì)化劑進(jìn)行了晶體學(xué)計(jì)算（圖5）,，評(píng)估了他們?cè)诓煌�合金中的晶粒�?xì)化效率,，為未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用提供了指導(dǎo)。我們發(fā)現(xiàn)在AM制造中,，細(xì)化劑的細(xì)化效率與它們與基體Al的錯(cuò)配度密切相關(guān),，這與傳統(tǒng)凝固中的現(xiàn)象一致。綜述還包括了作者對(duì)當(dāng)前挑戰(zhàn)和利用AM制造先進(jìn)Al合金的潛在機(jī)會(huì)的理解與討論,。據(jù)此提供了該領(lǐng)域即將到來(lái)的前景,、科學(xué)理解中的空白和擴(kuò)大AM在制造高性能Al合金方面的研究需求。

圖5：（a）通過(guò)激光粉床熔化（L-PBF）制造的2024和7075鋁合金中,，接種劑達(dá)到完全/接近完全柱狀向等軸晶轉(zhuǎn)變（CET）所需的臨界添加量,。（b）通過(guò)E2EM模型計(jì)算,，成核劑與Al基體間的定向關(guān)系（ORs）對(duì)應(yīng)的原子間錯(cuò)配度值。

基于對(duì)已發(fā)布結(jié)果的綜述,，可以得出以下結(jié)論：

·AM中的晶粒細(xì)化：AM中熔池凝固所伴隨的大熱梯度傾向于促進(jìn)柱狀晶粒的形成,。然而，接種處理作為傳統(tǒng)鑄造中的關(guān)鍵策略,，在AM中有效地促進(jìn)了柱狀向等軸晶轉(zhuǎn)變,。在金屬鑄造中建立的晶粒細(xì)化理論和模型，如相互依賴?yán)碚摵虴2EM模型,，為理解AM制造Al合金中的晶粒細(xì)化機(jī)制提供了寶貴見(jiàn)解,。

·接種處理：引入有效的成核粒子增強(qiáng)了熔池中的異質(zhì)成核,，限制了晶粒生長(zhǎng),，并導(dǎo)致細(xì)小的晶粒微結(jié)構(gòu)。AM中有效的接種劑包括形成Al3X的元素如Zr,、Sc,、Ti，以及TiB2,、LaB6等化合物,。它們的效率在很大程度上由成核劑/Al基體界面的原子間匹配度決定。

·AM專用的新合金開(kāi)發(fā)：接種處理的概念在專門(mén)為AM開(kāi)發(fā)新的Al合金中起到了核心作用,。這些合金,，通常含有Sc、Zr和Ti等接種劑,，顯示出高打印性,，并能在AM的廣泛加工窗口中實(shí)現(xiàn)等軸晶結(jié)構(gòu)。

·優(yōu)化接種處理：雖然增加接種劑的添加量可以提高晶粒細(xì)化效率,，但需要仔細(xì)優(yōu)化,，以平衡細(xì)化效率與機(jī)械性能，并避免過(guò)量夾雜,�,；旌辖臃N方法在增加成核粒子密度方面顯示出提高細(xì)化效率的潛力。此外,，通過(guò)控制加工過(guò)程和添加適當(dāng)?shù)娜苜|(zhì),，還可以進(jìn)一步提高接種處理的細(xì)化效率。

以上見(jiàn)解可以運(yùn)用到大部分增材制造鋁合金中實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化,，并可以運(yùn)用于開(kāi)發(fā)“高抗裂性,，高強(qiáng)度高塑性3D打印鋁合金”這一熱門(mén)領(lǐng)域。這一思路于2024年2月6號(hào)以《鋁合金增材制造孕育處理研究進(jìn)展》（“Recent advances in inoculation treatment for powder-based additive manufacturing of aluminium alloys”）為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)綜述期刊Materials Science and Engineering: R: Reports （IF=31）,。澳大利亞昆士蘭大學(xué)機(jī)械與采礦工程學(xué)院為論文唯一單位,。譚啟玚研究員為此綜述的第一作者,，張明星教授為通訊作者。

全文及所附支持材料,，見(jiàn) https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100773