西安交大刘思达教授团队 l TCB晶种合金细化剂实现增材制造铝合金中强度与延展性的协同提升

3D科学谷洞察

TCB晶种合金细化剂在增材制造中的应用具有多个创新点，包括抗“中毒”效果显著、显著细化晶粒、提升力学性能、工艺简单高效、经济高效以及广泛的应用前景。这些创新点为高性能铝合金零件的制备提供了新的技术途径，对高端制造领域的轻量化设计和提质增效具有重要意义。”

激光粉末床熔融（PBF-LB）作为一种金属增材制造（AM）工艺，广泛用于复杂形状合金部件的制造而备受关注。然而，适用于PBF-LB的轻质合金体系十分有限。目前，Al–Si(–Mg)系列铝合金的PBF-LB研究较多，但力学性能仍难满足要求。此外，对于变形铝合金而言，尽管研究人员通过添加Sc、Zr、Ti等元素可抑制热裂纹并细化晶粒，成本/大规模生产等因素却限制其广泛应用。因此，开发适用于PBF-LB的新型Al–Si系合金成为重要的研究方向。

晶粒细化和优化凝固路径是提升PBF-LB的Al–Si系合金力学性能的关键，将铝合金用细化剂运用于金属增材制造面临挑战。为此，西安交通大学航天航空学院刘思达教授团队运用新型的Al–Ti–C–B（TCB）晶种合金细化剂，用以提升AlSi10Mg合金的力学性能。研究重点关注了TCB粉末改性的TM-AlSi10Mg合金的微观组织和机械性能等方面。实现了极限抗拉强度从381± 7.3 MPa到479.2 ± 1.5 MPa以及延伸率从4.8 ± 1.2%到11.1 ± 0.7%的提升。相关的工作以题为“Uniting high strength with large ductility in an additively manufactured fine-grained aluminum alloy”的研究论文，发表在Materials Research Letters期刊上。西安交通大学为第一通讯单位。论文的共同第一作者为西安交通大学航天航空学院研究助理察文豪（导师：刘思达）和香港城市大学李干博士。论文的通讯作者为西安交通大学刘思达教授，南方科技大学朱强教授和山东大学刘相法教授。作者还包括：贺喜硕士研究生（南方科技大学），李杰博士生（山东大学），李道秀博士生（山东大学）。

本文利用山东大学刘相法教授团队研发的Al-TCB晶种合金细化剂，用于Al-Si系合金的PBF-LB加工，在组织性能同步提升方面取得了显著成效：仅通过简单的机械混合工艺，成功实现了AlSi10Mg合金的晶粒的显著细化，形成了熔池边界细小等轴晶与熔池内部较大等轴晶的异质结构，平均晶粒尺寸约为2.8 μm。还诱导形成了细小的胞状结构：即胞体内部弥散微米级共晶Si+沿胞壁向内呈网状分布纳米级共晶Si。基于组织优化，合金的强塑性得到了显著的同步提升，其中屈服强度达302 ± 7.6 MPa，极限抗拉强度达479.2 ± 1.5 MPa，延伸率达11.1% ± 0.7%。TCB晶种技术用于Al-Si系合金的增材制造不仅经济高效，还为制备高性能铝合金零件提供了一种创新途径，并可为高端制造领域的先进轻量化设计、提质增效和转型升级提供重要的材料支撑和技术支持。

本研究对比分析了未添加TCB粉末的PBF-LB AlSi10Mg合金与添加TCB粉末改性的TM-AlSi10Mg合金的性能与微观结构。通过EBSD微观组织分析可知（图1），未添加TC B粉末的AlSi10Mg合金内部呈现出较大的柱状晶结构，且晶体取向具有明显的<001>Al特征。而添加了TCB粉末的TM-AlSi10Mg合金则表现出异质微观结构：熔池边界处为细小的等轴晶，熔池内部为较大的等轴晶。此外，Ti(C,B)颗粒作为有效的异质形核位点，均匀分布于晶粒内部。TCB粉末的引入有效促进了α-Al晶粒的成核，减少了Si在TCB/α-Al界面的聚集现象，从而显著细化了晶粒，最终形成了平均晶粒约为2.8μm的微观组织。

图1 AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金的显微组织表征。(a, c) 沿YZ平面的EBSD取向图，(b, d) 为（a, b）AlSi10Mg合金和（c, d）TM-AlSi10Mg合金的{001}Al、{011}Al、{111}Al极图；(e) TM-AlSi10Mg合金的SEM图像；(f) (e)中标记的放大区域，显示出晶粒中心的Ti(C,B)颗粒；(g) EDS线扫描结果；(h) TM-AlSi10Mg合金的SEM图像及相应的EPMA结果，显示出均匀分布的Ti(C,B)颗粒。

通过对AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金微观结构的分析(图2)，可以发现TCB粉末的引入不仅细化了晶粒，形成了异质微观结构，还显著改变了共晶Si颗粒的分布。在AlSi10Mg合金中，微米级的共晶Si颗粒主要沿柱状晶的晶界分布。而在添加了TCB粉末的TM-AlSi10Mg合金中，微米级共晶Si颗粒在胞体内部弥散分布，纳米级共晶Si颗粒沿胞壁向内呈网状分布，形成了具有一定厚度的强化相结构。这种结构有效阻碍了位错运动，同时抑制了拉伸裂纹扩展，从而显著提升了合金的强度和塑性。

图2 PBF-LB的AlSi10Mg合金和TM-AlSi10Mg合金的独特胞状结构以及纳米颗粒的微观组织。(a) AlSi10Mg合金沿YZ平面的SEM图像；(b, c) 明场TEM图像及相应的EDS能谱；(d) TM-AlSi10Mg合金沿YZ平面的SEM图像；(e, f) 明场TEM图像及相应的EDS能谱；(g) HAADF图像；(h) BF图像，显示了TM-AlSi10Mg合金中位错与Ti(C,B)颗粒的相互作用；(i) 和(j) 是(h)中标记的放大图像，展示了胞边界和内部的细致微观结构。

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文献链接：

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.(原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2449175)

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