关于壁厚对LPBF（激光粉末烧结）制备的ZrO?/AlSi10Mg复合材料性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：On the role of wall thickness on ZrO 2/AlSi10Mg composites fabricated by LPBF

激光粉末床融合制备纳米氧化锆增强AlSi10Mg薄壁件，系统研究壁厚对致密化行为、显微组织演化及力学性能的影响。结果表明：随壁厚增加，致密化程度提高，孔隙率降低，显微组织由离散硅分布向连续硅共晶网络转变，晶粒尺寸先减小后增大，呈现弱<100>织构，最终在5mm壁厚时获得优化的力学性能（抗拉强度482.2MPa，延伸率7.8%），且ZrO?的晶粒细化与阻碍位错运动效应显著。

　　

刘玲|陈浩宇|叶楠|吴志春|毛杰|隋晓晓|朱文潭|唐建城

南昌大学物理与材料科学学院，中国南昌330031

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术为制备薄壁AlSi10Mg合金部件提供了一种有效方法，这提高了其在航空和汽车工业中的应用潜力。然而，AlSi10Mg合金的低强度限制了其更广泛的应用。本文引入了纳米ZrO₂颗粒以增强AlSi10Mg的强度和延展性，并研究了不同壁厚下ZrO₂/AlSi10Mg的微观结构演变和力学性能。结果表明，随着壁厚从0.3毫米增加到5毫米，精度提高，孔隙率降低，微观结构从不连续的Si分布转变为连续的Si共晶网络。晶粒尺寸先减小后增大，并出现了<100>方向的弱优先取向。这些变化归因于温度梯度的变化以及ZrO₂在晶界上的分布。随着壁厚的增加，拉伸性能得到改善。在壁厚为5毫米时，达到了最佳性能：极限抗拉强度为482.2 MPa，伸长率为7.8%，屈服强度为301.2 MPa。此外，每种壁厚的ZrO₂/AlSi10Mg复合材料都优于文献中报道的相同壁厚的AlSi10Mg合金。这主要是由于ZrO₂的晶粒细化作用及其抑制晶粒内部和晶界处位错运动的能力。本研究为具有强度-延展性协同性的功能结构部件提供了一种有前景的方法。

引言

铝（Al）合金薄壁结构部件因其轻质和高性能特性而备受重视，在航空航天和汽车工业等领域显示出显著的应用潜力[1]、[2]、[3]。然而，传统的材料加工技术（如铸造和粉末冶金）在制备复杂结构部件时面临挑战[4]、[5]，这限制了薄壁铝合金部件的广泛应用。

激光粉末床熔融（LPBF）技术作为一种极具前景的增材制造工艺，近年来受到了广泛关注[6]、[7]。该技术通过逐层沉积零件模型来构建三维固体部件，从而无需传统的焊接等连接工艺[8]。利用这种先进的制造方法，可以高效地精确制造薄壁部件，从而显著提高复杂薄壁部件的生产效率和质量[9]。迄今为止，LPBF技术已成为加工铝合金的热门方向。在各种铝合金中，AlSi10Mg特别适合LPBF，因为它具有宽的加工窗口、良好的焊接性以及高强度重量比、低熔点和耐腐蚀性等优良性能[10]、[11]、[12]。然而，随着技术的不断进步，对材料更高性能的要求也在增加。为了进一步提高材料的使用性能，研究人员开始探索将纳米陶瓷增强剂引入AlSi10Mg合金的可能性。迄今为止，已有许多研究探讨了各种纳米陶瓷增强剂（包括SiC[13]、TiN[14]、TiB₂[15]、石墨烯[16]、TiC[17]、Si₃N₄[18]、ZrO₂[19]等）对LPBF制备的AlSi10Mg复合材料微观结构和力学性能的影响。其中，ZrO₂纳米颗粒在细化铝合金的同时消除了凝固裂纹方面表现出很强的潜力[20]。

迄今为止，许多研究集中在LPBF制备的AlSi10Mg薄壁部件上，受益于该工艺固有的小而精确的熔池[21]、[22]、[23]、[24]。Calignano等人[25]进行了实验，深入研究了LPBF工艺参数对AlSi10Mg合金薄壁部件制备的影响，并将其与设计和制造的薄壁部件进行了比较，强调了工艺参数与铝合金薄壁结构力学性能之间的关系。Zhang等人[26]使用选择性激光熔化（SLM）技术制备了AlSi10Mg合金薄壁部件，发现密度和抗拉强度最初随着壁厚的增加而减小，随后又增加。当样品壁厚为0.50毫米时，AlSi10Mg薄壁样品的相对密度达到99.86%，抗拉强度为364 MPa，伸长率为12.04%。总之，不同壁厚下LPBF制备的AlSi10Mg部件的微观结构演变和力学响应已经得到了详细记录。然而，旨在通过添加增强剂进一步改善AlSi10Mg在所有尺度上的性能并揭示相关微观结构演变机制的研究仍然较少。

本研究旨在系统评估壁厚对ZrO₂/AlSi10Mg复合材料致密化行为、微观结构演变和力学性能的影响，期望为纳米陶瓷增强金属基复合材料在薄壁结构部件中的应用提供理论支持和技术帮助。

部分内容摘要

原始粉末和制造工艺

为了制备ZrO₂/AlSi10Mg混合物，选择了商用纳米ZrO₂（平均粒径20纳米，纯度99.5%，Macklin公司）（图1(a)）和气雾化AlSi10Mg粉末（粒径20-65微米，西安Bright Laser Technologies有限公司）（图1(b-d)）作为原材料。在本研究中，首先使用三维混合器（深圳ZTE ScAlience & Technology有限公司，型号ZTMB-400VS，尺寸880毫米×625毫米×820毫米）将纳米ZrO₂颗粒和AlSi10Mg粉末混合2小时。

成型精度和孔隙率

图3显示了样品实际厚度与理论厚度之间的偏差。如图3(a)所示，随着壁厚的增加，成型精度的偏差逐渐减小。当理论壁厚超过3毫米时，成型精度的偏差趋于稳定，不再发生显著变化。具体来说，当理论壁厚为0.3毫米时，成型精度的偏差最大，约为0.25毫米。

讨论

图6、图8和图9表明，不同的壁厚显著改变了宏观和微观结构的演变。这源于热扩散路径与温度梯度的耦合效应，以及扫描速度与晶粒形态、形状和大小的耦合效应。在低壁厚（0.3毫米）时，往复运动的熔池在前一个熔池冷却之前就重叠，导致热量无法有效散发，从而引起持续的热量积累。因此，晶粒取向变得更加随机。

结论

在本研究中，使用LPBF技术制备了不同壁厚的0.5 wt% ZrO₂/AlSi10Mg复合材料。研究了壁厚对纳米ZrO₂增强AlSi10Mg复合材料微观结构和力学性能的影响。获得了以下重要结果：

1. 低壁厚的纳米ZrO₂增强AlSi10Mg复合材料表现出更严重的热量积累效应，液相驱动力不足，

未引用的参考文献

[43]

CRediT作者贡献声明

朱文潭：写作——审阅与编辑，正式分析，数据管理，概念构思。唐建城：监督，资源管理，项目管理，资金获取，正式分析。隋晓晓：软件应用，数据分析，概念构思。吴志春：可视化处理，软件应用，方法研究，数据分析。毛杰：可视化处理，软件应用，数据分析。陈浩宇：写作——审阅与编辑，初稿撰写，可视化处理，

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

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB3806700）、江西省自然科学基金（编号20252BAC200631）和江西省青年人才培养项目（编号20252BEJ730008）的资助。