上海交通大学&上海船舶动力创新中心 l 固溶处理同步提升增材制造TiB2/AlCuMg复合材料耐腐蚀性能和力学性能

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简介

开发兼具高强度与优异耐腐蚀性的增材制造（ AMed ）铝合金，是海洋与航空航天领域轻量化结构应用的核心目标。然而，大多数增材制造铝合金存在粗大柱状晶粒和相分布不均的问题，这加剧了电偶效应并严重损害其耐腐蚀性。 上海交通大学和上海船舶动力创新中心的研究通过晶粒细化和固溶热处理工艺对增材制造 TiB2/AlCuMg 复合材料进行改性，结果表明，细小晶粒的均匀分布不仅增强了晶界强化效应提高机械强度，还可以提高钝化膜的稳定性以提升耐腐蚀性能。值得注意的是，单纯固溶热处理不仅能为铝基体提供显著的固溶强化作用，还能同时改善初生相和溶质铜分布从而有效降低阴极相团聚造成的局部腐蚀。”

上海交通大学和上海船舶动力创新中心在增材制造铝合金腐蚀性能和力学性能协同提升方向取得研究进展，研究成果以《Synergistic enhancement of corrosion resistance and mechanical properties in L-PBFed TiB2/AlCuMg composite via solution heat treatment》为题发表在腐蚀类顶级期刊《Corrosion Science》上。上海船舶动力创新中心孙腾腾博士和上海交通大学博士生母杰瑞是共同第一作者，王洪泽副教授和吴一副教授为共同通讯作者，联合作者还包括博士生陆强、唐梓珏助理研究员、孙华助理研究员、汪明亮副研究员、王浩伟讲席教授，该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市扬帆计划等多个项目的支持，为增材制造优异耐腐蚀性能材料设计和热处理提供新思路。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112970

研究亮点

1. （ 1 ）均匀分布的原位 TiB 2 纳米颗粒通过增强钝化膜的稳定性来降低局部腐蚀。
   

2. 
   （ 2 ）时效过程中析出的 S 相作为阴极加剧电偶腐蚀。
   

3. 
   （ 3 ）固溶热处理和晶粒细化效果使增材制造的 AlCuMg 合金的腐蚀电流密度降低了 76.7% 。
   

4. 
   （ 4 ）由于奥罗万强化和固溶强化作用，增材制造的 TiB₂/Al-Cu-Mg （激光粉末床熔化成形）复合材料强塑积达 4619MPa · % （相比于 AlCuMg 合金提高了 85 倍）

背景

为契合国际海事组织（IMO）关于减少国际航运业温室气体排放的初步战略以及“碳达峰、碳中和”倡议，下一代船用发动机必须将轻量化结构、高可靠性和环境可持续性放在首位。2xxx系AlCuMg合金因其优异的性能，一直被广泛视为制造船用发动机、飞机机身和机翼结构的理想材料。为满足对定制化复杂部件和快速集成制造日益增长的需求，研究人员正探索使用增材制造（AM）技术来打印这些合金的可行性。然而，高度合金化和较宽的凝固温度范围给提升这种材料的整体性能带来了重大挑战。更重要的是，设计出与先进制造技术相适配的合金，使其机械强度和耐腐蚀性达到或超过传统制造方法所实现的水平，仍是增材制造部件广泛应用的基础。

作者之前的研究结果表明，原位TiB₂纳米颗粒修饰的增材制造AlCuMg合金具有细化的晶粒尺寸，呈现出强度与延展性的协同提升特性，可与锻造的高强度2024铝合金相媲美。然而，纳米颗粒的引入并不一定能提高这类金属的耐腐蚀性，这是因为电化学性能通常由微观结构的均匀性和第二相颗粒共同决定。基于先前的研究，原位盐-金属反应与气体雾化相结合来制备TiB₂/AlCuMg打印粉末，对于实现TiB₂纳米颗粒在铝基体中的均匀分布至关重要。这种增强的微观结构均匀性显著提高了非铸造铝合金的可打印性和机械性能。在TiB₂/AlCuMg的腐蚀防护方面，实现更均匀的微观结构以最小化腐蚀敏感区域主要依赖于两种方法：热处理和增加纳米颗粒含量。首先，热处理有助于使金属内部的微观结构更加均匀，从而减少易腐蚀区域的形成。在增材制造金属中，特别是那些具有细化微观结构的金属，热处理对晶粒形态、尺寸和织构的影响极小。因此，耐腐蚀性的差异主要由析出相的形态、尺寸和分布决定，而这些因素又会影响离子扩散路径和扩散阻抗。在传统制造的7055合金中，引入微量（0.5%重量比）的TiB₂纳米颗粒已被证明有助于形成厚而致密的钝化膜（从4.05纳米扩展到5.95纳米），且该钝化膜与金属基体有很强的附着力。增加的晶界密度有效地降低了氢和氯离子的局部浓度，从而增强了钝化能力和抗点蚀能力。此外，通过非原位方法引入增材制造金属中的TiB₂纳米颗粒往往具有较大的颗粒尺寸且分散不均匀。这种大尺寸阴极相的存在会阻碍在金属表面形成致密的钝化膜，从而加剧基体的局部腐蚀。

在本研究中，作者结合了固溶处理和时效处理，以控制通过激光粉末床熔融（L-PBF）制造的TiB₂/AlCuMg中的相分布。为了评估固溶处理态TiB₂/AlCuMg复合材料（TiB₂/AlCuMg（SL））和时效态TiB₂/AlCuMg复合材料（TiB₂/AlCuMg（SA））的耐腐蚀性和机械性能，我们进行了浸泡试验（168小时）、电化学腐蚀测试和拉伸力学性能试验。这项工作重点关注热处理前后微观结构演变的影响，探索同时提高耐腐蚀性和强度的机制。

图文

图1：本研究所用复合材料粉末制备过程

图2：增材制造AlCuMg合金和TiB₂/AlCuMg复合材料的微观结构。(a)TiB₂/AlCuMg复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b)为(a)的局部放大图像以及相应的元素分析(c)；电子背散射衍射（EBSD）结果、晶粒平均取向差（KAM）图以及在成形态条件下(d,e,f)AlCuMg合金和(g,h,i)TiB₂/AlCuMg复合材料相应的晶界取向差分布情况。

图3：经不同热处理的增材制造AlCuMg合金和TiB₂/AlCuMg复合材料电化学腐蚀测试结果。(a)开路电位曲线；(b)动电位极化曲线；(c)奈奎斯特图；以及(d)波特图。

图4：经不同热处理的增材制造AlCuMg合金和TiB₂/AlCuMg复合材料在质量分数为3.5%的氯化钠溶液中浸泡168小时的腐蚀速率曲线

图5：增材制造样品的表面电势分布。TiB₂/AlCuMg样品中阴极相的(a)高度图，(b)相图以及(c)的电位；(d)沿A线和B线的表面电势分析；(e)AlCuMg的整体表面电位分布；(f)TiB₂/AlCuMg的整体表面电位分布；(g)TiB₂/AlCuMg（SL）的整体表面电位分布；(h)TiB₂/AlCuMg（SA）的整体表面电位分布。

图6：增材制造AlCuMg合金以及TiB₂/AlCuMg复合材料在不同热处理后的机械性能。(a)应力-应变曲线；(b)拉伸性能数据

图7：增材制造样品微观结构演变和腐蚀过程的示意图。(a)AlCuMg合金；(b)TiB₂/AlCuMg复合材料。

图8：增材制造样品微观结构演变及腐蚀过程的示意图。(a)TiB₂/AlCuMg（SL）；(b)TiB₂/AlCuMg（SA）

图9：本研究与文献及先前工作中其他增材制造和传统制造的铝合金或复合材料之间的综合性能比较：(a)耐腐蚀性能；(b)机械性能

结论

本研究通过在质量分数为3.5%的氯化钠溶液中进行金属均匀腐蚀浸泡试验和电化学腐蚀试验，探究了经不同热处理的增材制造AlCuMg合金以及TiB₂/AlCuMg复合材料的腐蚀行为与机制。试验结果表明，TiB₂/AlCuMg（SL）复合材料展现出良好的耐腐蚀性和机械性能。本研究为具有优异综合性能的增材制造铝基复合材料提供了理论基础。本研究的主要结论如下：
（1）浸泡腐蚀试验和电化学试验表明，在质量分数为3.5%的氯化钠溶液中，TiB₂/AlCuMg复合材料的耐腐蚀性优于增材制造AlCuMg合金，其具有更高的点蚀电位（Ep）和更低的腐蚀电流密度（Icorr），而腐蚀电位（Ecorr）相近。
（2）原位TiB₂纳米颗粒的引入显著提高了微观结构的均匀性，从而改善了钝化膜的稳定性和一致性，有效地减轻了通常由颗粒自身引起的阴极效应。
（3）固溶处理后，由于初生阴极相Al₂Cu的尺寸减小且溶质Cu分布均匀性提高，TiB₂/AlCuMg的腐蚀速率降低。因此，阴极效应相对减轻，腐蚀电流密度降低了76.7%。此外，TiB₂/AlCuMg（SL）抗拉强度提高了33%。
（4）人工时效处理后，铝基体中大量S相的形成放大了阴极效应，同时微电池数量的增加促进了晶间裂纹的发展，导致耐腐蚀性下降。
（5）对于具有细化晶粒结构的增材制造金属，固溶处理可以有效地控制阴极相的析出行为，显著减轻电偶腐蚀对钝化膜稳定性的影响。同时，固溶强化可以提高材料的机械性能，实现了耐腐蚀性和强度提升的双重效益。

上海交通大学材料学院特种材料研究所：

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立多个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近 300 篇，获授权中国国家发明专利 100 余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承 “ 创新创造、科研报国 ” 的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

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