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关于铝合金细化，根据《专栏 l 铝晶粒细化，经济型的可用于LPBF金属3D打印的Al-Mg-Zr 合金》一文，国际上，关于高强度铝合金方面，目前广为业界熟知的是Scalmalloy，这是一种 Sc 和 Zr 改性的 5xxx 合金。这是开发用于 LPBF 的高强度铝 (Al) 合金的第一个里程碑。凝固过程中初生 Al3(Sc1-xZrx) 核（与 Al 基体相干）的沉淀导致等轴晶粒的局部形成。不过，虽然这种合金表现出优异的机械性能 [26]，达到甚至超过传统锻造铝合金的机械性能，但其高含量的稀土元素 Sc 使其价格昂贵，这可能会限制其更广泛的应用。

根据发表在中国有色金属学报上的《激光选区熔化2024改性AlSi10Mg合金》论文，来自山东大学的研究团队制备了含有1.5%(质量分数)TiC的2024铝合金粉末，并将其加入AlSi10Mg合金粉末中，形成AlSi10Mg-2024(TiC)混合粉末，然后采用激光选区熔化工艺对混合粉末成形，并对其沉积态和T6热处理态的显微组织及力学性能进行了表征。结果表明：激光选区熔化过程中2024铝合金中的TiC颗粒可作为异质形核点，促进Al形核，进而抑制粗大柱状晶的形成，显著细化铝合金的显微组织，并弱化了〈100〉//BD(Build direction, 生长方向)丝织构的形成。经过T6热处理(520 ℃固溶2 h，190 ℃时效10 h)后，AlSi10Mg-2024(TiC)合金仍保持较高的力学性能，抗拉强度达到400 MPa。而经T6热处理后AlSi10Mg合金的强度仅为260 MPa。这是因为添加2024合金可以引入Cu元素，在时效过程中析出第二相粒子，强化铝合金基体。另外，时效过程中析出的纳米Si颗粒也可对T6热处理后的AlSi10Mg-2024(TiC)合金起到一定强化作用。

本期谷.专栏，将分享这篇论文所阐述的关键内容。

▲论文链接http://file.ysxbcn.com/2022/11_cn/002_42749_%E8%B4%BE%E5%A2%9E%E5%BA%86_L/

细化铝合金显微组织

近年来，随着航空航天、交通运输等领域的快速发展，激光增材制造铝合金受到了国内外的广泛关注并快速发展[1-5]。然而，目前适配激光增材制造工艺的铝合金材料体系有限，主要为AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等Al-Si体系铸造铝合金，一般强度低、塑性差，不能满足航空航天等领域对轻质高强高韧铝合金结构的需求[5-6]。传统的Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等高强铝合金体系(如2024和7075铝合金)中由于合金元素含量较高，在快速熔化/凝固过程中易产生热裂纹等缺陷，导致其不适用于激光增材制造过程[5-6]。

引入形核质点、促进快速凝固过程中铝合金晶粒形核，是细化铝合金显微组织，进而提高其强度和塑性的有效手段[4, 7-9]，也是抑制热裂纹、改善Al-Cu、Al-Zn等体系铝合金成形性能的潜在方法。添加TiB2或TiC是目前常用的一种引入异质形核点的方法。LI等[7]采用熔盐反应在AlSi10Mg基体中原位生成了TiB2增强相，可极大细化激光选区熔化AlSi10Mg的显微组织，提升其力学性能，抗拉强度可达530 MPa，伸长率＞15%。英国Aeromet公司研究人员通过向Al-Cu合金中加入TiB2增强相，改善其成形性能，伸长率可达12%~15%。除添加TiB2和TiC纳米颗粒外，TAN等[10]通过加入纳米LaB6颗粒，显著细化了激光选区熔化AlSi10Mg合金的显微组织，获得了平均晶粒尺寸为1.6 µm的等轴晶组织，提升了其力学性能。

添加Sc、Zr、Ti、Ta等元素也是常用的细化激光增材制造铝合金组织，提升其力学性能的方法[11-21]。上述元素在凝固过程中会形成Al3X相作为形核质点促进形核，进而细化铝合金显微组织。同时，上述元素固溶在铝基体中，在后续时效过程中可析出纳米Al3X第二相粒子，进一步提升激光增材制造铝合金强度。例如，SPIERINGS等[22]报道Sc和Zr元素改性的Al-Mg合金(Scalmalloy合金)表现出优异的力学性能，其抗拉强度可达520 MPa，伸长率＞13%。LI等[13]利用Zr改性2024合金，显著改善了2024合金的成形性能，其强度高达580 MPa。TAN等[14]首次采用纳米Ti颗粒改性2024合金粉末，发现添加少量纳米Ti(0.7%，质量分数)可以极大抑制柱状晶的产生，获得均匀的细晶组织，显著提升了增材制造2024合金的综合性能，其抗拉强度为(432±20) MPa，伸长率可达(10±0.8)%。

添加Si元素可以增加增材制造过程中熔体的流动性，抑制热裂纹的产生，改善Al-Cu和Al-Zn等合金的成形性能。WANG等[23]设计了一种Al-3.5Cu-1.5Mg-1Si合金，结果表明加入Si后可以显著改善Al-Cu-Mg合金的成形性能。山东大学的研究团队前期工作[24]也通过添加Si元素改善7075铝合金的成形性能，结果表明随Si添加量的增加，热裂纹显著减少，并且粗大柱状晶被抑制。当Si含量为4.0%(质量分数)时，获得了无宏观裂纹的细晶组织。

为了制备适配激光增材制造的高强度铝合金材料，研究团队的前期工作[25]将Al-Ti-C-B中间合金制成粉末，并采用机械混合的方法将该粉末加入AlSi10Mg合金中。结果表明，添加10% Al-Ti-C-B中间合金可以显著细化AlSi10Mg合金显微组织，并提升其力学性能(强度约500 MPa，伸长率约10%)。然而，采用这种方法制备的铝合金，经去应力退火后，强度急剧降低。为了解决这一问题，本研究提出了一种新的适配激光增材制造高强度铝合金粉末制备方法。首先制备了一种包含有纳米TiC颗粒的2024(TiC)铝合金粉末，通过机械混合的方法制备了AlSi10Mg-2024(TiC)混合粉末。一方面，加入TiC纳米颗粒可以细化增材制造铝合金显微组织；另一方面，添加2024合金可以引入Cu等元素，能够在后续的热处理过程中析出第二相粒子，起到时效强化作用。本工作重点研究了激光增材制造AlSi10Mg-2024(TiC)混合粉末的显微组织及力学性能。

▲沉积态和T6热处理后AlSi10Mg及AlSi10Mg-2024(TiC)合金的拉伸断口形貌

©中国有色金属学报

细化铝合金显微组织

1) 添加30%(质量分数)的2024(TiC)合金粉末并未明显影响混合粉末的成形性能。2024合金由于含有较多的合金元素，在快速熔化/凝固过程中易产生热裂纹等缺陷。本工作中向AlS10Mg中加入30%2024(TiC)合金，混合粉末仍保持有良好的成形性能。

2) 加入2024(TiC)合金(含1.5%TiC纳米颗粒)可以显著细化激光选区熔化组织。激光选区熔化过程中，2024(TiC)合金会释放大量的TiC纳米颗粒，可作为异质形核点促进Al形核，抑制粗大柱状晶的生长，进而形成细小等轴晶组织，同时也显著弱化了〈100〉//BD(Build Direction, 生长方向)丝织构的形成。

3)在AlSi10Mg加入30%2024(TiC)合金，可以引入Cu等合金元素，使AlSi10Mg-2024(TiC)合金在热处理过程中保持较高的强度和塑性。经过T6热处理后AlSi10Mg合金的强度降低至260 MPa，而AlSi10Mg-2024(TiC)合金的抗拉强度保持了较高水平，为400 MPa。

参考文献 链接： http://file.ysxbcn.com/2022/11_cn/002_42749_%E8%B4%BE%E5%A2%9E%E5%BA%86_L/

研究团队

第一作者：贾增庆

第二作者：高通、王桂龙、刘相法、赵国群

通讯作者：王协彬， 副教授，博士；电话： 0531-88392621 ； E-mail ： [email protected]

机 构：

1.山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南 250061

2.山东大学 材料科学与工程学院，济南 250061

山东大学材料液固结构演变与加工实验室是2000年教育部批准的重点实验室。自成立以来，坚持“以材料液态研究为出发点、以材料液固相关性与结构演变为基本原理，控形控构控性三位一体”的实验室发展思路，以求真务实的态度认真做好各项工作，先后于2002年、2007年、2012年和2018年四次通过教育部组织的工程和材料科学领域重点实验室评估。根据材料液固态结构和制备加工技术及其相关交叉学科发展前沿和发展趋势，基于学科特点和现有基础，通过科学规划和精心凝炼，形成了三个稳定的研究方向：材料液态结构及其遗传性、新型材料的设计与制备、材料成形与智能化加工技术。在液态结构、塑性成形技术与智能化加工、先进无机非金属材料、碳纤维、先进连接技术与材料等方面形成了自己的特色和优势。

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