西工大 l 微量细化剂助力3D打印AlSi10Mg合金告别塑性桎梏，实现塑性各向同性！

AlSi10Mg是SLM(选区激光熔融)金属3D打印技术中最常用的铝合金之一，其快速凝固特性赋予构件高强度，但同时也导致了致命的塑性各向异性：垂直方向的伸长率（~4%）远低于水平方向（~7%）。这一瓶颈严重制约了其在航空航天、汽车等关键承力结构上的可靠应用。

目前常用的改善方法如添加高含量纳米颗粒，虽有一定效果，但常面临工艺复杂、成本高或引入新界面等挑战；同时，大量添加纳米颗粒会使合金的化学成分与标准成分之间存在重大偏差。因此，在不改变合金主成分的情况下，发展一种简单、高效的微观结构调控方法以实现强度与塑性的协同提升，并根治各向异性，成为领域内迫切的需求。

在本期谷·专栏分享的论文中，研究团队针对激光选区熔化（SLM）成形AlSi10Mg合金存在的塑性低、各向异性显著问题，采用微量Al-Nb-B细化剂调控凝固过程，有效抑制了粗大柱状晶的外延生长，降低了织构强度，使晶粒取向分布更均匀。最终，在提高合金强度的同时，大幅提升了塑性并基本消除了其各向异性，为高性能增材制造铝合金的开发提供了新策略。

第一作者：李聪

通讯作者：陈豫增，万杰

通讯单位：西北工业大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2025.01.031

本文亮点

（1）在雾化制粉过程中添加微量Al-Nb-B细化剂改性粉末，可有效调控SLM成形AlSi10Mg的凝固组织，实现晶粒取向分布的均匀化。

（2）本研究的微合金化策略助力SLM成形AlSi10Mg合金水平与垂直方向的拉伸塑性分别大幅提升58%与175%；塑性各向异性程度从47%急剧降低至8.3%，显著提升了构件在不同受力方向上的性能一致性与可靠性。

（3）均匀的晶粒取向分布通过协调滑移、延缓局部变形，从而贡献持续且平缓的加工硬化过程，是实现强塑性协同提升的根本原因。

图文解析

细化处理未改变胞状结构特征，在TEM视野中仅发现个别富Nb颗粒（图1），微量细化剂可能主要通过溶质效应在快速凝固过程中发挥作用，而非提供大量的异质形核质点。

图1 （a-c）AlSi10Mg 的微观结构；（d-i）IT/AlSi10Mg 的微观结构；（b、e、g、h）HADDF-TEM图像；（b）和（e）中的插图显示了圆形区域的SAED图案；（c、f、i）分别为（b）、（e）和（h）的TEM-EDS图像.

EBSD结果表明（图2），细化处理后，细晶粒的数量明显增加。同时，细化处理消除了跨越多个熔池生长的粗大柱状晶粒从而降低了织构强度，这种织构强度的降低主要体现在粗晶粒上。粗晶粒和细晶粒之间的织构强度差异几乎完全消除，意味着晶粒取向分布更加均匀。

图2 （a-d）AlSi10Mg合金的取向图；（f-i）IT/AlSi10Mg合金的取向图；（e）（a-d和f-i）的反极图；（a、c、f、h）大于6 μm 晶粒的取向图；（b、d、g、i）小于6 μm 晶粒的取向图

拉伸实验结果（图3）表明：改性后的样品在水平与垂直方向上均实现了强度与塑性的协同提升。相比于未细化处理的纯AlSi10Mg合金，水平方向和垂直方向的断裂延伸率分别提升58%和175%，同时塑性各向异性几乎消除（从47.3%降至8.3%）。IT/AlSi10Mg的应变硬化曲线展现出更平缓、持久的特征，满足Considère准则，表明均匀塑性变形能力的显著增强。

图3 （a）工程应力-应变曲线；（b）真实应力-应变曲线和应变硬化率-真实应变曲线；（c）SLM成形纯AlSi10Mg与IT/AlSi10Mg的拉伸性能比较；（d）SLM成形纯AlSi10Mg与IT/AlSi10Mg的塑性和塑性各向异性比较

为深入探究性能提升的机理，进一步分析了不同试样{111}<110>滑移系的施密特因子分布（图4）。施密特因子与具有特定取向的晶粒的塑性变形难度呈正相关，通常用于解释织构与材料变形行为之间的相关性。研究发现，细化处理使高Schmid因子晶粒数量减少，晶粒取向分布更为均匀。这使得塑性变形时各滑移系能够更协调、渐进地启动，有效避免了局部应力集中，从而同时提高整体塑性并降低各向异性。

图4 沿不同方向加载的{111}<110>滑移系的施密德因子分布;（a）垂直方向;（b）水平方向;（c）AlSi10Mg；（d）IT/AlSi10Mg

应变硬化行为的机理阐释：通过应变硬化过程中的位错增殖示意图（图5），清晰对比了未处理样品中因变形不协调导致的早期断裂，与改性样品中得益于晶粒逐步激活、位错协调运动的持续硬化过程，为强塑性协同提升提供了理论解释。

图5 应变硬化过程中SLM成形AlSi10Mg的位错增殖示意图；（a-d）AlSi10Mg；（e-h）IT/AlSi10Mg；(i)典型的Θ-ε曲线示意图

总结与展望

本研究证实，通过微量细化剂实现晶粒取向分布均匀化，是同步提升SLM成形AlSi10Mg强度、塑性并消除各向异性的有效策略。该粉末改性方法工艺简单、成本可控，具有广阔的工业应用前景。未来研究可拓展该策略至其他合金体系，并进一步探索细化剂在极端凝固条件下的作用机理。

论文引用

C. Li, J. Wan, W.X. Zhang, J.Y. Wang, Z.Q. Liu, Y.Z. Chen, Enhanced ductility and superior ductility isotropy of additively manufactured AlSi10Mg by homogenizing the grain orientation distribution, J. Mater. Sci. Technol. 232 (2025) 58-64

作者简介

陈豫增西北工业大学凝固技术全国重点实验室现代凝固理论团队核心成员，二级教授，博士生导师。主要从事先进金属材料的凝固及固态相变过程控制、成形过程及组织性能调控研究。入选教育部青年长江学者及国家级领军人才；主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等国家级科研项目10余项；在Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等期刊发表论文100余篇，申报及获授权发明专利20余件。

万杰西北工业大学材料学院副教授、博导，兼任西安市铸造学会理事、陕西省机械工程学会铸造专业委员会委员、中国有色金属学会轻合金材料专业委员会委员、《铸造技术》青年编委，研究方向为高强耐热金属设计及其增材制造，迄今共主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等项目10余项，发表学术论文50余篇，授权国家发明专利10余件，作学术会议邀请报告10余次。

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