來(lái)源： Materials Research Letters
激光粉末床熔融（PBF-LB）作為一種金屬增材制造（AM）工藝,，廣泛用于復(fù)雜形狀合金部件的制造而備受關(guān)注,。然而,，適用于PBF-LB的輕質(zhì)合金體系十分有限,。目前,，Al–Si(–Mg)系列鋁合金的PBF-LB研究較多,，但力學(xué)性能仍難滿足要求,。此外，對(duì)于變形鋁合金而言,，盡管研究人員通過(guò)添加Sc,、Zr、Ti等元素可抑制熱裂紋并細(xì)化晶粒,，成本/大規(guī)模生產(chǎn)等因素卻限制其廣泛應(yīng)用,。因此，開(kāi)發(fā)適用于PBF-LB的新型Al–Si系合金成為重要的研究方向,。
晶粒細(xì)化和優(yōu)化凝固路徑是提升PBF-LB的Al–Si系合金力學(xué)性能的關(guān)鍵,，將鋁合金用細(xì)化劑運(yùn)用于金屬增材制造面臨挑戰(zhàn)。為此,，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院劉思達(dá)教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用新型的Al–Ti–C–B（TCB）晶種合金細(xì)化劑,，用以提升AlSi10Mg合金的力學(xué)性能。研究重點(diǎn)關(guān)注了TCB粉末改性的TM-AlSi10Mg合金的微觀組織和機(jī)械性能等方面,。實(shí)現(xiàn)了極限抗拉強(qiáng)度從381± 7.3 MPa到479.2 ± 1.5 MPa以及延伸率從4.8 ± 1.2%到11.1 ± 0.7%的提升,。相關(guān)的工作以題為“Uniting high strength with large ductility in an additively manufactured fine-grained aluminum alloy”的研究論文，發(fā)表在Materials Research Letters期刊上,。西安交通大學(xué)為第一通訊單位,。論文的共同第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院研究助理察文豪（導(dǎo)師：劉思達(dá)）和香港城市大學(xué)李干博士。論文的通訊作者為西安交通大學(xué)劉思達(dá)教授,，南方科技大學(xué)朱強(qiáng)教授和山東大學(xué)劉相法教授,。作者還包括：賀喜碩士研究生（南方科技大學(xué)），李杰博士生（山東大學(xué)）,，李道秀博士生（山東大學(xué)）,。
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本文利用山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Al-TCB晶種合金細(xì)化劑，用于Al-Si系合金的PBF-LB加工,，在組織性能同步提升方面取得了顯著成效：僅通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械混合工藝,，成功實(shí)現(xiàn)了AlSi10Mg合金的晶粒的顯著細(xì)化,，形成了熔池邊界細(xì)小等軸晶與熔池內(nèi)部較大等軸晶的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸約為2.8 μm,。還誘導(dǎo)形成了細(xì)小的胞狀結(jié)構(gòu)：即胞體內(nèi)部彌散微米級(jí)共晶Si+沿胞壁向內(nèi)呈網(wǎng)狀分布納米級(jí)共晶Si,。基于組織優(yōu)化,，合金的強(qiáng)塑性得到了顯著的同步提升,，其中屈服強(qiáng)度達(dá)302 ± 7.6 MPa，極限抗拉強(qiáng)度達(dá)479.2 ± 1.5 MPa,，延伸率達(dá)11.1% ± 0.7%,。TCB晶種技術(shù)用于Al-Si系合金的增材制造不僅經(jīng)濟(jì)高效，還為制備高性能鋁合金零件提供了一種創(chuàng)新途徑,，并可為高端制造領(lǐng)域的先進(jìn)輕量化設(shè)計(jì),、提質(zhì)增效和轉(zhuǎn)型升級(jí)提供重要的材料支撐和技術(shù)支持。
本研究對(duì)比分析了未添加TCB粉末的PBF-LB AlSi10Mg合金與添加TCB粉末改性的TM-AlSi10Mg合金的性能與微觀結(jié)構(gòu),。通過(guò)EBSD微觀組織分析可知（圖1）,，未添加TC B粉末的AlSi10Mg合金內(nèi)部呈現(xiàn)出較大的柱狀晶結(jié)構(gòu)，且晶體取向具有明顯的<001>Al特征,。而添加了TCB粉末的TM-AlSi10Mg合金則表現(xiàn)出異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)：熔池邊界處為細(xì)小的等軸晶,，熔池內(nèi)部為較大的等軸晶。此外,，Ti(C,B)顆粒作為有效的異質(zhì)形核位點(diǎn),，均勻分布于晶粒內(nèi)部。TCB粉末的引入有效促進(jìn)了α-Al晶粒的成核,，減少了Si在TCB/α-Al界面的聚集現(xiàn)象,，從而顯著細(xì)化了晶粒，最終形成了平均晶粒約為2.8μm的微觀組織,。
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圖1 AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金的顯微組織表征,。(a, c) 沿YZ平面的EBSD取向圖，(b, d) 為（a, b）AlSi10Mg合金和（c, d）TM-AlSi10Mg合金的{001}Al,、{011}Al,、{111}Al極圖；(e) TM-AlSi10Mg合金的SEM圖像,；(f) (e)中標(biāo)記的放大區(qū)域,，顯示出晶粒中心的Ti(C,B)顆粒；(g) EDS線掃描結(jié)果,；(h) TM-AlSi10Mg合金的SEM圖像及相應(yīng)的EPMA結(jié)果,，顯示出均勻分布的Ti(C,B)顆粒。
通過(guò)對(duì)AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金微觀結(jié)構(gòu)的分析(圖2),，可以發(fā)現(xiàn)TCB粉末的引入不僅細(xì)化了晶粒,，形成了異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，還顯著改變了共晶Si顆粒的分布,。在AlSi10Mg合金中,，微米級(jí)的共晶Si顆粒主要沿柱狀晶的晶界分布。而在添加了TCB粉末的TM-AlSi10Mg合金中,，微米級(jí)共晶Si顆粒在胞體內(nèi)部彌散分布,，納米級(jí)共晶Si顆粒沿胞壁向內(nèi)呈網(wǎng)狀分布，形成了具有一定厚度的強(qiáng)化相結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)有效阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),，同時(shí)抑制了拉伸裂紋擴(kuò)展，從而顯著提升了合金的強(qiáng)度和塑性,。
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圖2 PBF-LB的AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金的獨(dú)特胞狀結(jié)構(gòu)以及納米顆粒的微觀組織,。(a) AlSi10Mg合金沿YZ平面的SEM圖像；(b, c) 明場(chǎng)TEM圖像及相應(yīng)的EDS能譜,；(d) TM-AlSi10Mg合金沿YZ平面的SEM圖像,；(e, f) 明場(chǎng)TEM圖像及相應(yīng)的EDS能譜；(g) HAADF圖像,；(h) BF圖像,，顯示了TM-AlSi10Mg合金中位錯(cuò)與Ti(C,B)顆粒的相互作用；(i) 和(j) 是(h)中標(biāo)記的放大圖像,，展示了胞邊界和內(nèi)部的細(xì)致微觀結(jié)構(gòu),。
文獻(xiàn)鏈接：
Wenhao Cha, Gan Li, Xi He, Jie Li, Daoxiu Li, Xiangfa Liu*, Qiang Zhu* & Sida Liu* (2024)Uniting high strength with large ductility in an additively manufactured fine-grained aluminum alloy, Materials Research Letters.
原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2449175
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