西安交大：TCB晶種合金細化劑實現(xiàn)增材制造鋁合金中強度與延展性的協(xié)同提升

來源： 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，廣泛用于復雜形狀合金部件的制造而備受關注。然而，適用于PBF-LB的輕質合金體系十分有限。目前，Al–Si(–Mg)系列鋁合金的PBF-LB研究較多，但力學性能仍難滿足要求。此外，對于變形鋁合金而言，盡管研究人員通過添加Sc、Zr、Ti等元素可抑制熱裂紋并細化晶粒，成本/大規(guī)模生產等因素卻限制其廣泛應用。因此，開發(fā)適用于PBF-LB的新型Al–Si系合金成為重要的研究方向。

晶粒細化和優(yōu)化凝固路徑是提升PBF-LB的Al–Si系合金力學性能的關鍵，將鋁合金用細化劑運用于金屬增材制造面臨挑戰(zhàn)。為此，西安交通大學航天航空學院劉思達教授團隊運用新型的Al–Ti–C–B（TCB）晶種合金細化劑，用以提升AlSi10Mg合金的力學性能。研究重點關注了TCB粉末改性的TM-AlSi10Mg合金的微觀組織和機械性能等方面。實現(xiàn)了極限抗拉強度從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。西安交通大學為第一通訊單位。論文的共同第一作者為西安交通大學航天航空學院研究助理察文豪（導師：劉思達）和香港城市大學李干博士。論文的通訊作者為西安交通大學劉思達教授，南方科技大學朱強教授和山東大學劉相法教授。作者還包括：賀喜碩士研究生（南方科技大學），李杰博士生（山東大學），李道秀博士生（山東大學）。

本文利用山東大學劉相法教授團隊研發(fā)的Al-TCB晶種合金細化劑，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：僅通過簡單的機械混合工藝，成功實現(xiàn)了AlSi10Mg合金的晶粒的顯著細化，形成了熔池邊界細小等軸晶與熔池內部較大等軸晶的異質結構，平均晶粒尺寸約為2.8 μm。還誘導形成了細小的胞狀結構：即胞體內部彌散微米級共晶Si+沿胞壁向內呈網狀分布納米級共晶Si�；�于組織優(yōu)化，合金的強塑性得到了顯著的同步提升，其中屈服強度達302 ± 7.6 MPa，極限抗拉強度達479.2 ± 1.5 MPa，延伸率達11.1% ± 0.7%。TCB晶種技術用于Al-Si系合金的增材制造不僅經濟高效，還為制備高性能鋁合金零件提供了一種創(chuàng)新途徑，并可為高端制造領域的先進輕量化設計、提質增效和轉型升級提供重要的材料支撐和技術支持。

本研究對比分析了未添加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構。通過EBSD微觀組織分析可知（圖1），未添加TC B粉末的AlSi10Mg合金內部呈現(xiàn)出較大的柱狀晶結構，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)出異質微觀結構：熔池邊界處為細小的等軸晶，熔池內部為較大的等軸晶。此外，Ti(C,B)顆粒作為有效的異質形核位點，均勻分布于晶粒內部。TCB粉末的引入有效促進了α-Al晶粒的成核，減少了Si在TCB/α-Al界面的聚集現(xiàn)象，從而顯著細化了晶粒，最終形成了平均晶粒約為2.8μm的微觀組織。

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線掃描結果；(h) TM-AlSi10Mg合金的SEM圖像及相應的EPMA結果，顯示出均勻分布的Ti(C,B)顆粒。

通過對AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金微觀結構的分析(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)TCB粉末的引入不僅細化了晶粒，形成了異質微觀結構，還顯著改變了共晶Si顆粒的分布。在AlSi10Mg合金中，微米級的共晶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，微米級共晶Si顆粒在胞體內部彌散分布，納米級共晶Si顆粒沿胞壁向內呈網狀分布，形成了具有一定厚度的強化相結構。這種結構有效阻礙了位錯運動，同時抑制了拉伸裂紋擴展，從而顯著提升了合金的強度和塑性。

圖2 PBF-LB的AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金的獨特胞狀結構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TEM圖像及相應的EDS能譜；(d) TM-AlSi10Mg合金沿YZ平面的SEM圖像；(e, f) 明場TEM圖像及相應的EDS能譜；(g) HAADF圖像；(h) BF圖像，顯示了TM-AlSi10Mg合金中位錯與Ti(C,B)顆粒的相互作用；(i) 和(j) 是(h)中標記的放大圖像，展示了胞邊界和內部的細致微觀結構。

文獻鏈接：
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