激光定向能量沉积法制备的Al-10Ce合金的微观结构演变及其高温强化-韧化机制

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and high-temperature strengthening-toughening mechanism of the Al-10Ce alloy deposited by laser-directed energy deposition

激光直接能量沉积（LDED）与铸造工艺对Al-10Ce合金微观结构及力学性能的影响研究表明，LDED的高冷却速率和强温度梯度抑制了初生Al11Ce3相形成，细化了共晶Al11Ce3相，使室温拉伸强度103 MPa、屈服强度79 MPa、延伸率29.1%显著优于铸造样品（75 MPa、46 MPa、24.6%）。高温强化增韧机制包括：1）细化相促进高密度位错形成；2）消除初生相及钝化相界降低应力集中；3）高温变形中位错回复与层错分解协同提升塑性与强度维持。

　　

赵鑫|杨家乐|张瑞荣|王宏鑫|王强|张彦超|田玉龙|苏海军|杨文超

西北工业大学固态成形加工国家重点实验室，中国西安710072

摘要

研究了激光定向能量沉积（LDED）和铸造对Al-10Ce合金微观结构演变的影响。结果表明，LDED的高冷却速率和强温度梯度抑制了初级Al₁₁Ce₃相的形成，并促进了共晶Al₁₁Ce₃相的细化。在300°C时，LDED样品仍表现出优异的机械性能，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为103 MPa、79 MPa和29.1%，优于铸造样品的75 MPa、46 MPa和24.6%。此外，LDED形成的Al-10Ce合金的高温强化-韧性机制主要归因于：(1) Al₁₁Ce₃相的细化有助于变形过程中高密度位错的形成；(2) 初级相的消除和相界的钝化降低了应力集中；(3) 在高温下，位错恢复与堆垛故障的分解同时发生，这促进了塑性的提高和强度的保持。

引言

铝合金因其重量轻、比强度高、成本低和耐腐蚀性而广泛应用于汽车工业、航空航天等领域[1],[2]。目前，铝合金面临的主要挑战是在中等温度（200-400°C）下的使用问题。用铝合金替代Ti基和Ni基合金（如高性能轻质活塞、导弹外壳和涡轮压缩机叶轮）可以减轻相关结构部件的重量[3],[4],[5]。传统的铸造铝合金在高温使用环境下常出现沉淀相粗化和晶粒生长问题，这显著降低了其机械性能。因此，开发具有高强度、韧性和耐热性的铝合金已成为材料领域的研究重点之一。

近年来，共晶Al-Ce合金成为耐热铝合金研究的热点，这归因于共晶Al₁₁Ce₃相优异的高温稳定性[6],[7]。Ce在Al基体中的极低固溶度及其相对较低的扩散系数有效抑制了高温下的相结构粗化[8]。此外，该合金良好的铸造性能使其适用于铸造和增材制造工艺，进一步扩展了其工程应用潜力。然而，传统铸造过程中形成的初级Al₁₁Ce₃相常导致应力集中，成为断裂的根源[9]。另外，共晶微观结构通常较大，其强化效果远低于纳米级强化相，导致铸造Al-Ce合金的机械性能不足，严重限制了其实际应用[10]。许多研究致力于改善Al-Ce合金的微观结构和性能。例如，沈等人[11]研究了超重力场对Al₁₁Ce₃相的影响，发现超重力凝固有效细化了共晶微观结构并提高了合金的高温机械性能。王等人[12]利用永磁搅拌将Al-Ce合金的共晶微观结构从层状转变为纤维状，表明细化的共晶微观结构有助于改善合金的机械性能。

激光定向能量沉积（LDED）是一种具有快速冷却速率和强温度梯度的工艺，可以有效细化晶粒并促进非平衡相的形成，从而显著提高合金的机械性能[13],[14]。与激光粉末床熔融（LPBF）相比，LDED在沉积速率和大型部件制造方面具有明显优势。然而，由于熔池尺寸较大和热梯度较低，其微观结构均匀性和细腻度不如LPBF。尽管如此，LDED过程的冷却速率和温度梯度仍显著高于传统铸造工艺，能够抑制粗大的初级相、减少元素偏析并提高机械性能，同时保持高沉积效率[15]。因此，一些研究人员尝试通过优化增材制造的工艺参数来改善Al-Ce合金的性能。A.Plotkowski等人[16]评估了Al-Ce合金的成形性，发现该合金具有优异的增材制造性能，无裂纹或气孔等缺陷。胡等人[5]研究了线弧定向能量沉积（WADED）工艺对二元Al-Ce合金微观结构和性能的影响，非平衡凝固抑制了初级Al₁₁Ce₃相的形成，并有效细化了层状Al₁₁Ce₃共晶相，抗拉强度和伸长率分别提高了22.1%和169.8%。然而，现有研究主要集中在验证LDED工艺的基本成形性上，关于Al-Ce合金在快速沉积条件下的微观结构演变机制和高温机械性能等关键问题仍需进一步研究。

在本研究中，采用传统铸造和LDED方法制备了Al-10Ce合金，并系统比较了两种方法制备的合金在室温和高温下的微观结构及机械性能。深入探讨了LDED样品的强化-韧性机制和变形机制，旨在为解决LDED技术在制备大型Al-Ce耐热结构部件时的局限性提供理论基础。

材料与方法

铸造Al-10Ce（重量百分比）合金锭的制备过程如下：首先，将第三方制造商提供的高纯度Al-10Ce母合金在740°C下熔化并保持30分钟，然后冷却至720°C，倒入直径为35毫米、高度为100毫米的柱状模具中进行空气冷却。

Al-10Ce合金粉末采用气体雾化法制备，其粉末形态和粒径分布如图1所示。

工艺优化

图3显示了不同激光功率和扫描速率下LDED Al-10Ce合金的OM图像。观察到微观结构中无裂纹，但几乎不可避免地存在气孔缺陷。在高体积能量密度（VED）为208.3 J/mm³（左下角）和625 J/mm³（右上角）的样品中，出现了高密度气孔。在低VED条件下，一些未熔化的粉末颗粒可能残留在熔池底部，阻碍...

LDED对共晶微观结构的影响

LDED Al-10Ce合金表现出完整的共晶微观结构，这是由于在极快冷却速率下的独特非平衡凝固路径所致[24]。显著的界面过冷动态抑制了初级Al₁₁Ce₃相的沉淀，使合金的实际凝固路径偏离了相图。因此，熔体直接经历了α-Al/Al₁₁Ce₃的共晶生长。Raghavan等人[25]研究了...

结论

本研究通过LDED工艺成功制备了低气孔率的Al-10Ce合金，并将其微观结构和性能与铸造Al-10Ce合金进行了比较。研究了LDED快速凝固工艺对Al-10Ce合金在室温和高温下的微观结构和机械性能的影响，并探讨了其强化-韧性机制。结论如下：

(1)

高冷却速率和强...

作者贡献声明

苏海军：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。田玉龙：形式分析。张彦超：可视化、形式分析。王强：可视化、形式分析。王宏鑫：可视化、形式分析。张瑞荣：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、形式分析。杨家乐：可视化、形式分析。赵鑫：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学、研究、形式分析。杨文超：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

本工作得到了国家自然科学基金（52322410、52571050）和湖南省科技创新计划（2024RC7005）的支持。