原位表面改性的增材制造納米WC/AlSi10Mg 合金增強(qiáng)機(jī)制

來源：中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)

隨著新能源汽車,、航空航天,、高端裝備等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)朝輕量化、智能化方向快速發(fā)展,，對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)件的“材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化”要求越來越高,，使用激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造高性能鋁基結(jié)構(gòu)件已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有研究多采用添加納米陶瓷顆粒作為鋁合金基體增強(qiáng)相,，提升SLM成形鋁基復(fù)合材料的綜合性能,。眾所周知,，納米WC顆粒具有優(yōu)異耐磨和力學(xué)性能，常作為鐵基,、鎳基,、鈷基和鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相。本文選擇納米WC顆粒作為增強(qiáng)相,，添加到AlSi10Mg基體中,，通過選擇性激光熔化增材制造技術(shù)（SLM）制備高性能的鋁基納米復(fù)合材料。為克服納米WC顆粒之間因范德華力而產(chǎn)生的自團(tuán)聚問題,，采用靜電自組裝工藝制備納米WC復(fù)合AlSi10Mg鋁合金粉末,，在最優(yōu)SLM成形工藝下3D打印所需試樣，系統(tǒng)研究納米WC添加對(duì)AlSi10Mg鋁合金基體晶粒形貌,、析出相分布,、相組成、力學(xué)和摩擦磨損性能的影響,，明確其形核機(jī)理及鋁基體微觀組織演變和性能調(diào)控機(jī)制,。

文章亮點(diǎn)
證實(shí)了SLM 制備的納米WC/AlSi10Mg 材料中形成多種Al−W 金屬間化合物相，通過(002)α(Al)//(104)Al5W 的取向關(guān)系,，確認(rèn)具有4.7%的低晶格失配度的Al/Al5W 可形成良好共格界面,，納米WC 顆粒和Al−W 相可促使柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，獲得精細(xì)的等軸晶組織,。

圖1 SLM成形納米WC/AlSi10Mg試樣中納米顆粒相HRTEM,、EDS和SAED分析(a) Al5W 相; (b) Al12W 相; (c) Al4W 相

圖1所示為添加1 wt.%納米WC試樣中觀察的粒狀顆粒形貌、EDS元素分析,、界面及電子衍射斑點(diǎn)圖,，結(jié)果表明該顆粒為Al5W相。對(duì)其界面高分辨照片中界面兩側(cè)的晶面間距進(jìn)行計(jì)算,，表明α-Al 和Al5W之間具有匹配良好的共格界面,，界面晶體學(xué)關(guān)系為圖片和(002)α(Al)//(104)Al5W。納米顆粒點(diǎn)I的C元素含量比較高,，表明Al5W主要是圍繞分解的納米WC顆粒周邊形成和長(zhǎng)大,。需要特別注意的是電子衍射斑點(diǎn)圖中還出現(xiàn)了明顯衍射環(huán)，對(duì)應(yīng)于 (012)Al5W 和 (022)Al5W相,，進(jìn)一步證實(shí)基體組織中生成了大量細(xì)小納米Al5W顆粒。為確認(rèn)Al5W與α-Al的共格界面,，采用方程式（1）計(jì)算了α-Al（立方,，F(xiàn)m-3m空間群）與Al5W（六方，P63空間群）晶格匹配度,。此外,，在圖1 (a)和(b)的SAED衍射斑點(diǎn)中,，均有檢測(cè)到α-Al的衍射斑點(diǎn)。

同時(shí)采用第一性原理計(jì)算了Al/Al5W界面的不同參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu),，如圖2所示,。模擬和計(jì)算結(jié)果都表明兩者之間能形成穩(wěn)定的共格界面，通過方程式（1）計(jì)算 (002)α-Al 和 (104)Al5W晶格匹配度為4.7%,，小于形成共格界面所需最低錯(cuò)配度5%的要求,。這些模擬計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了圖1 (a)高分辨HRTEM中觀察到的良好共格界面。如圖1 (c)所示,，通過EDS元素和電子衍射斑點(diǎn)結(jié)果分析,，證實(shí)了添加5 wt.%納米WC成形試樣中觀察到的多邊形納米顆粒 Ⅲ為納米Al4W相。與Al/Al5W的共格界面不同,，Al/Al4W之間為半共格界面,，通過計(jì)算高分辨HRTEM中界面兩側(cè)的晶面間距，證實(shí)界面兩側(cè)的晶面分別為(110)Al4W and (111)α-Al,。這種半共格界面有可能是位錯(cuò)形成原因,。此外，通過分析不同納米顆粒的電子衍射斑點(diǎn),，在添加1 wt.%納米WC的成形試樣中,，還檢測(cè)到在XRD檢測(cè)中沒有出現(xiàn)的Al12W相，其形成也在類似文獻(xiàn)中有報(bào)道,，形成的可能反應(yīng)式如式（2）所示：

式中,， δ 是晶格匹配度, α 是不同相的晶格常數(shù)。

圖2 (002)α-Al/(104)Al5W 界面模擬計(jì)算圖

上述反應(yīng)方程式（2）表明,，Al12W相是隨著凝固過程中納米Al5W的進(jìn)一步分解而產(chǎn)生,，因此在添加不同納米WC的SLM成形試樣中僅有少量納米Al12W生成。同時(shí),，如圖2中所示,，納米顆粒 Ⅱ的Al和C元素含量非常高，而W元素含量為零,，推測(cè)這一納米顆粒有可能為Al4C3相,，然而因?yàn)楹�量過少，在XRD中無明顯衍射峰出現(xiàn),。
總結(jié)來看,，在SLM成形激光熔池的高溫作用下，添加的納米WC顆粒部分溶解于α-Al基體,，并與鋁合金基體的主要元素反應(yīng)生成一系列Al-W金屬間化合物,。隨著激光選區(qū)熔化的熔池開始凝固，高熔點(diǎn)納米WC和Al-W化合物顆粒傾向于形成,。計(jì)算表明(104)Al5W相和(002)α-Al相之間的晶格失配為4.7%,，根據(jù)Turnbull和Vonnegut的研究結(jié)果,，臨界形核過冷度（ΔTn）與晶格失配度（δ）的變化呈正相關(guān)，符合方程式（3）,，其中CE是彈性系數(shù),，ΔSv是單位體積相變熵：

因此，基于Al5W相與α-Al基體之間良好的共格界面,，可以促進(jìn)柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶組織,，抑制晶粒的生長(zhǎng)。另外也可以作為異質(zhì)形核劑促進(jìn)Mg2Si相析出,。

研究結(jié)論
采用靜電自組裝工藝分別制備了不同含量WC的AlSi10Mg復(fù)合粉末,，在最優(yōu)SLM成形工藝條件下，制備得到1 wt.%,、3 wt.%和5 wt.%納米WC/AlSi10Mg成形試樣,。系統(tǒng)研究了納米WC添加量對(duì)顯微組織演變及性能影響規(guī)律，優(yōu)化納米WC對(duì)鋁合金基體的合適添加量,。初步探索了納米WC顆粒在鋁基體中的界面微結(jié)構(gòu),、顯微組織調(diào)控及性能強(qiáng)化機(jī)理。通過晶格參數(shù)計(jì)算Al5W與α-Al的晶格匹配度為4.7%,，Al5W/Al界面微結(jié)構(gòu)表征也證實(shí)了Al5W/Al間具有良好共格界面,，其界面晶體學(xué)關(guān)系為圖片和 (002)α-Al//(104)Al5W�,；�于Al5W與α-Al的共格界面及其他納米Al-W中間相的強(qiáng)化作用,，顯著提升了SLM成形AlSi10Mg試樣的力學(xué)和摩擦磨損性能。

引用格式
Jiang-long YI, Han-lin LIAO, Cheng CHANG, Xing-chen YAN, Min LIU, Ke-song ZHOU. Reinforcing effects of nano-WC in AlSi10Mg alloy assisted by in-situ surface modification approach [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34 (01): 50-64.

研究團(tuán)隊(duì)

劉敏
教授級(jí)高級(jí)工程師,，博士生導(dǎo)師

現(xiàn)任廣東省科學(xué)院副院長(zhǎng),，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事,，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)副主任,，中國(guó)腐蝕學(xué)會(huì)高溫腐蝕與防護(hù)專業(yè)委員會(huì)分會(huì)副主任。先后主持和參加973,、863,、國(guó)際合作、軍工配套等項(xiàng)目40多項(xiàng),，研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空,、鋼鐵、包裝印刷和能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門,。入選“新世紀(jì)國(guó)家百千萬人才工程”,，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)7項(xiàng),、省部級(jí)二等獎(jiǎng)5項(xiàng)。發(fā)表論文200多篇,、授權(quán)專利50多件,。研究方向主要有表面工程技術(shù)和增材制造技術(shù)。
        
閆星辰
博士,，副研究員

一直從事金屬激光制造技術(shù)研究,，入選 2022 年斯坦福全球前 2%科學(xué)家、中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”,、廣東省科學(xué)院“百人計(jì)劃”C類人才等,，獲得中國(guó)有色金屬工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，目前擔(dān)任中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)委員,、廣東省機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)理事長(zhǎng),、廣東省增材制造協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、廣東省大灣區(qū)激光與增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及自然科學(xué)基金評(píng)審專家等,。在生物醫(yī)用金屬增材制造仿生多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,、控形控性新方法及機(jī)理、生物醫(yī)療創(chuàng)新應(yīng)用等方面取得了系列創(chuàng)新成果,，相關(guān)成果在 Additive Manufacturing,、Materials Research Letters等國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 80 余篇，總引 2300 余次,，H 指數(shù) 27,，并編寫著作 2 部，論著證明材料見附件3,。累計(jì)申請(qǐng)國(guó)家專利 34 件及 PCT 和美國(guó)發(fā)明專利各 1 件,，其中第一發(fā)明人授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利 7 件。

論文鏈接：http://www.ysxbcn.com/paper/paperview.aspx?id=paper_1051214