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)研發(fā)了一種新型的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)）。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2449175

　　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：僅通過簡單的機(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2.8μm。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(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。

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)。