通过原位添加亚微米级TiB2颗粒并优化工艺参数，实现了选择性激光熔化Al-Cu-Mg合金的高强度与高延展性

Al-Cu-Mg合金通过添加亚微米TiB??颗粒实现晶粒细化与热裂纹抑制，采用选择性激光熔化技术制备的合金兼具高强度（426 MPa）与良好延展性（13.3%），揭示颗粒细化机制及裂纹演变规律。

　　

刘松豪|冯茂|张龙波|田冲|徐彦金|王伟|张国|陈冲|陈宗宁|潘昆明|魏世忠

河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳471000，中国

摘要

为了解决选择性激光熔化（SLM）过程中沉淀强化铝合金中普遍存在的极端热裂纹行为和以强织构为主的粗大柱状晶粒结构问题，引入了亚微米级TiB₂颗粒（0.1–1 μm），制备出了高强度且无裂纹的Al-3.4Cu-0.8Mg合金。该合金的微观结构主要由随机取向的细小等轴晶粒组成。当TiB₂含量为1 wt%时，裂纹数量减少但平均裂纹尺寸显著增加，这可能是由于晶粒细化改变了裂纹演化过程。当TiB₂含量增加到3 wt%时，凝固裂纹完全消失，合金的微观结构完全由细小等轴晶粒（约1.44 μm）构成。多尺度微观结构表征表明，TiB₂颗粒不仅通过其固有的异质成核能力促进了晶粒细化，还通过促进枝晶碎裂和施加晶界钉扎效应发挥了作用。拉伸试验显示，制备出的合金具有优异的强度和延展性，其极限抗拉强度（UTS）为426 MPa，断裂伸长率为13.3%，这些性能优于大多数SLM制备的铝合金。强度增强因素的定量分析表明，裂纹是性能下降的主要原因（占理想屈服强度损失的62%–80%），而Hall-Petch强化机制主导了合金性能的提高。本研究为SLM制备的高强度铝合金的制备工艺、裂纹演化与抑制、晶粒细化及性能优化提供了新的见解和方法。

引言

选择性激光熔化（SLM）是增材制造（AM）的一个关键分支。由于其出色的成型灵活性和高精度，SLM已成为推动航空航天、汽车工程、医疗器械制造和模具制造等多个行业产品创新和工艺进步的关键技术之一[1]，[2]。由于SLM在生产过程中使用高能激光束作为热源，并采用逐层打印的方式，因此对材料的可打印性提出了极其严格的要求，尤其是对于高强度铝合金[3]。因此，通过SLM技术开发轻质高强度材料是实现SLM广泛应用的关键前提之一。

目前，在SLM应用于铝合金的研究以及这些合金的工业生产中，大多数研究集中在Al-Si合金体系上，特别是AlSi10Mg。这是因为硅（Si）不仅赋予合金熔体优异的流动性，还缩小了固液共存温度范围[4]，[5]。然而，Al-Si合金存在明显的缺点，包括强度-延展性平衡较差、成分设计灵活性有限以及高温性能显著下降[6]。因此，2xxx系列高强度铝合金（Al-Cu-Mg）的研发和工艺突破已成为关键的研究方向之一。这类合金通过多组分合金化和基于Cu的沉淀强化机制，有望突破Al-Si系列合金的性能瓶颈，从而满足高端领域对轻质、高强度和延展性的需求。不幸的是，2xxx系列铝合金通常具有较差的可打印性和较高的热裂纹敏感性[7]。因此，研究人员通常依靠工艺参数优化和合金成分设计来开发无热裂纹的高强度铝合金。工艺参数优化涉及对SLM参数（激光功率、扫描速度、搭接间距、层厚等）的详细探索，以生产无裂纹的零件。然而，对于相同合金等级的零件，通过工艺参数优化制备的零件性能并未显著超过其铸造对应件。这种现象可能源于高热输入促进了晶粒生长，从而抵消了快速冷却带来的部分晶粒细化效果[3]。由于仅通过优化工艺参数获得的高强度铝合金性能不足以匹配其生产成本，因此设计新的合金成分以同时提高可打印性和机械性能已成为研究重点。目前的主流策略是在合金体系中引入晶粒细化剂。对于铝合金晶粒细化剂，如Al-Ti-B[8]、[9]、Al-Ti-C[10]、Al-Nb-Cr-B[11]和Al-RE[12]等，这些细化剂与α-Al的晶格失配较小，因此具有优异的成核能力。为了探索传统晶粒细化剂在瞬态非平衡条件下的成核效应，Xiao等人[13]将1.5%的Nb纳米颗粒加入到Al-Zn-Mg-Cu合金中。利用SLM技术，他们获得了无热裂纹的样品，相对密度高达99.9%，同时微观结构发生了从柱状到等轴的转变（CET）。这种转变源于Al₃Nb相与Al基体之间的相干界面关系和大致平行的取向关系。此外，通过单独掺杂或联合引入锆（Zr）[14]、钪（Sc）[15]、钇（Y）[16]、钛（Ti）[17]、银（Ag）[18]和铒（Er）[19]等元素，也可以实现晶粒细化，所有研究均一致证实晶粒细化有助于消除热裂纹。

然而，关于非陶瓷颗粒的研究主要集中在外加合金元素的成核模式和机制上，而陶瓷颗粒促进晶粒细化的因素则相对多样。例如，Huang等人[20]观察到向Al-Zn-Mg-Cu合金中添加TiO₂颗粒会引发氧化还原反应，形成Al₃Ti相。该相不仅作为优异的异质成核位点，还通过改变凝固行为和钉扎晶界来细化晶粒，从而增强了糊状区的液相填充完整性。Hu等人[21]研究了TiCN颗粒对2024铝合金微观结构的影响，发现TiCN颗粒具有多方面的晶粒细化效应：（1）作为异质成核位点；（2）缩小凝固范围；（3）抑制晶粒生长；（4）通过位错诱导晶粒细化。与上述两种颗粒类型相比，TiB₂颗粒不仅具有陶瓷颗粒的固有优势，如高硬度、模量、熔点和优异的热力学稳定性，而且更容易原位合成，不会与铝发生有害的界面反应[22]。因此，TiB₂颗粒在SLM制备的铝合金中受到了更多关注。Sun等人[23]、[24]对4 wt%的纳米TiB₂颗粒（通过原位混合盐法制备）对Al-Cu-Mg合金的微观结构、机械性能和耐腐蚀性的影响进行了系列研究，发现TiB₂颗粒通过晶界强化和减少腐蚀敏感区域同时改善了合金的机械性能和耐腐蚀性。

研究表明，亚微米级TiB₂颗粒比纳米TiB₂颗粒具有更稳定的分散性和更强的抗粗化能力。当将其加入铝合金中时，亚微米级TiB₂颗粒更有可能作为有效的异质成核位点。此外，这种尺寸范围内的颗粒通过与晶界（GBs）和位错的相互作用促进高角度晶界（HAGBs）的形成[25]，[26]。然而，目前关于TiB₂颗粒在SLM制备的铝合金中的应用研究仍受到几个显著限制的制约：（1）尽管添加纳米TiB₂颗粒具有显著的晶粒细化效果，但微观结构仍由柱状-等轴双模态晶粒组成，这极大地限制了性能的提高；（2）大多数现有研究仅关注单一添加水平下的纳米TiB₂颗粒效应。相比之下，涉及亚微米级TiB₂颗粒的系统性研究（尤其是跨多个浓度梯度的研究）仍然较少，且尚未建立标准化研究框架；（3）现有研究通常添加高浓度的TiB₂颗粒以确保强度提高，但这会破坏材料的强度-延展性平衡。

因此，为了实现从粗大柱状晶粒向细小等轴晶粒的完全转变，同时实现较低的TiB₂颗粒添加量，获得良好的强度和延展性平衡，并解决高强度铝合金中的热裂纹问题，本研究通过原位混合盐法将不同含量的亚微米级TiB₂颗粒引入Al-3.4Cu-0.8Mg基体中。结合多变量工艺参数，旨在研究亚微米级TiB₂颗粒含量对裂纹形成、微观结构演变和打印样品机械性能的影响，从而阐明凝固裂纹抑制、完全等轴晶粒的形成及机械性能提升的潜在机制。这项工作有望为未来的合金设计和轻质材料应用提供宝贵见解，同时推动Al-Ti-B合金体系的微观结构和性能调控研究。

部分摘录

复合粉末的制备

xTiB₂/Al-3.4Cu-0.8Mg（x = 0, 1, 3 wt%）复合粉末的制备分为两个步骤：首先，通过原位混合盐法合成Al-Ti-B母合金锭；随后，在合金粉末制备过程中将这些母合金锭放入熔炼炉中，使用气体雾化技术进行制备。

工艺参数优化

图3显示了通过SLM工艺在不同能量密度下制备的xTiB₂/Al-Cu-Mg（x = 0, 1, 3 wt%）立方体的抛光截面（平行于打印方向，YOZ平面）的金相图像。从图中可以看出，未经改性的样品和添加了1 wt% TiB₂的样品在SLM制备的样品表面都表现出明显的裂纹特征。这表明该合金在SLM过程中具有较高的裂纹敏感性。

晶粒细化机制

通常，激活异质成核的必要条件是达到足够的过冷度（$?T$₂颗粒可以为铝熔体提供异质成核的基底颗粒。当铝熔体在冷却过程中达到临界成核过冷度时，基底颗粒被激活，异质成核开始。

结论

本研究使用选择性激光熔化技术制备了高质量的Al-Cu-Mg合金，并将不同含量的TiB₂颗粒引入合金中。通过多尺度微观结构表征，阐明了TiB₂颗粒与裂纹行为、微观结构演变和性能之间的关联。主要结论如下：

• (1)
  通过SLM制备的Al-Cu-Mg合金的相对密度随激光能量密度呈高斯分布；

CRediT作者贡献声明

徐彦金：方法学研究、数据分析。王伟：方法学研究、数据分析、形式分析。张龙波：方法学研究、数据分析。田冲：方法学研究。陈宗宁：撰写-审稿与编辑、可视化、数据分析。潘昆明：可视化、方法学研究。张国：方法学研究。陈冲：可视化、监督、研究。魏世忠：方法学研究。刘松豪：撰写-

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52301046）、河南省高校科技创新人才计划（编号：25HAS-TIT007）、河南省科技研发计划联合基金（编号：245200810066）、龙门实验室前沿探索项目（编号：LMQYT-SKT005和LMQYQN202402）以及中原人才计划的财政支持。作者借此机会表示感谢