ZrB?颗粒添加对激光功率床熔融制备的Al–4Fe基复合材料强度和延展性提升的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of ZrB 2 particle addition on strength-ductility improvement of Al–4Fe matrix composites by laser power bed fusion

研究探讨了ZrB?颗粒对LPBF制备Al–4Fe合金微观结构与力学性能的影响。结果表明，添加10wt% ZrB?颗粒使晶粒尺寸从54.5μm细化至17.9μm，并显著提升合金在室温至400℃范围内的综合力学性能，强化机制源于晶界钉扎、热膨胀失配诱导位错和载荷传递，同时ZrB?颗粒促进位错缠结和空洞颈缩，有效提升延展性。

　　

朱赫·崔（Jungho Choe）|金京泰（Kyung Tae Kim）|朴正敏（Jeong Min Park）|俞智勋（Ji Hun Yu）|金恩成（Eun Seong Kim）|安松媛（Soung Yeoul Ahn）|金亨燮（Hyoung Seop Kim）

韩国材料科学研究所（KIMS）纳米材料研究部门，昌原，51508，大韩民国

摘要

本研究探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备的Al–4Fe合金中添加ZrB₂颗粒对微观结构和力学性能的影响。高熔点、化学性质稳定的ZrB₂颗粒的加入使得合金在宽广的温度范围内同时具备了更高的强度和延展性。微观结构和相分析证实，在LPBF过程中ZrB₂颗粒分布均匀，且没有产生有害的界面反应产物。添加ZrB₂颗粒后，Al–4Fe基体的晶粒尺寸从54.5 μm显著细化至17.9 μm。与未增强的Al–4Fe合金相比，ZrB₂/Al-4Fe复合材料在室温至400°C的温度范围内表现出更强的强度和延展性。强度的提升主要归因于晶粒细化、载荷传递以及ZrB₂与Al–4Fe基体之间热膨胀系数的不匹配导致的位错生成；而由于ZrB₂颗粒的微米级尺寸，奥罗万强化（Orowan strengthening）效应可以忽略不计。复合材料的延展性增强体现在Zr富集区域附近出现了大量的凹痕特征，这表明空洞的形成和聚合促进了局部应变的缓解。这些发现表明ZrB₂颗粒既具有强化作用，也具有增韧效果，突显了ZrB₂增强Al-Fe复合材料在高温结构应用中的潜力。

引言

轻质结构材料必须在从室温到高温的各种环境下保持高强度，以满足航空航天、汽车、国防和能源领域对组件的严格要求[[1], [2], [3]]。在这些条件下确保可靠的性能对于维持结构完整性、延长使用寿命和整体系统效率至关重要。在现有的轻质材料中，铝合金因其低密度、高比强度、耐腐蚀性和优异的加工性能而成为最广泛采用的选择[4,5]。然而，尽管常规Al-Si和Al-Zn合金在室温下具有优异的力学性能，但当暴露在超过约200°C的温度下时，其强度会迅速下降[6]。这种性能下降主要是由于其在高温下的强化沉淀物热不稳定性所致。这些沉淀物容易粗化或溶解，从而削弱了沉淀硬化效果，限制了这类合金在高温环境中的应用。

为了克服常规铝合金在高温下的局限性，人们积极开发了含有过渡金属（如Fe[7]、Ni[8]和Ce[9]）的替代合金体系。这些元素促进了热稳定金属间相（如Al₁₃Fe₄、Al₆Fe、Al₃Ni和Al₁₁Ce₃）的形成，这些相在高温下仍能保持强化效果[[8], [9], [10]]。其中，Al–Fe合金因其低密度、成本效益、可回收性和优异的热稳定性而尤为具有前景。Fe诱导的金属间相不仅作为稳定的强化成分，还能有效抑制高温下的变形机制（如位错运动和晶界滑移[11,12]）。然而，传统铸造的Al-Fe合金由于冷却速率较慢，会导致金属间相过度生长，从而产生粗大且脆性的微观结构，降低延展性和韧性[13]。因此，需要采用先进的制造工艺（如快速凝固技术）来细化金属间化合物的形态，稳定微观结构，从而提升强度和延展性。

在各种快速凝固技术中，激光粉末床熔融（LPBF）为克服传统加工Al-Fe合金的微观结构限制提供了有效途径。LPBF具有极高的冷却速率（通常超过10⁵–10⁶ K/s），同时能够精确控制加工参数，并能够制备复杂的近净形几何结构[14,15]。对于Al–Fe体系，LPBF促进了均匀分布的纳米级Al₆Fe相在α-Al基体中的形成。这些细小分布的相作为位错运动的障碍，有助于晶界稳定，从而显著提高高温强度[[16], [17], [18]]。先前的研究表明，LPBF制备的Al–Fe合金在300°C时的屈服强度可超过300 MPa，优于传统LPBF制备的Al–Si合金[17,18]。通过添加Mn等元素，进一步增强了纳米级金属间相的稳定性，并改善了LPBF的加工性能[19]。因此，LPBF能够在Al–Fe合金中形成细密的微观结构，从而获得优异的力学性能。然而，通过引入热稳定的陶瓷增强体（形成金属基复合材料，MMCs），可以在更高温度下进一步提升强度和延展性的平衡。

MMCs为进一步提升LPBF处理铝合金的高温性能提供了有效策略。通过将陶瓷增强体融入金属基体，MMCs结合了金属的延展性和韧性以及陶瓷颗粒的高刚性、耐磨性和热稳定性[20,21]。增强体通过载荷传递、奥罗万强化和热失配强化等多种机制共同作用，从而在宽广的温度范围内改善力学性能。值得注意的是，增强体的选择是确保所需性能提升的关键因素。增强体必须在LPBF过程中的快速凝固和反复热循环下保持稳定，并与铝基体相容，以防止形成可能损害力学性能的次生相。

在各种陶瓷增强体中，碳化物陶瓷（如TiB₂和ZrB₂）因其极高的熔点（>3000°C）、优异的化学惰性、高硬度和低热膨胀系数而特别具有吸引力[22,23]。这些特性使它们能够在LPBF特有的快速循环和高能量激光相互作用下保持稳定。特别是ZrB₂与Al基体的晶格失配较大（约8.46%，而TiB₂为约4.22%[24]），虽然这种较大的失配降低了其作为异质成核位点的有效性，但也减少了意外的界面反应，使其成为研究LPBF处理Al–Fe合金中陶瓷颗粒内在强化效应的理想候选材料。此外，最新研究表明ZrB₂还能提高复合材料的抗氧化性能并改善热传导性能[25,26]。其与碳化物（如TiC或WC）相比明确的化学计量比进一步增强了界面的可预测性，进一步证明了其作为先进铝合金系统稳定增强体的适用性。

尽管具有这些潜在优势，但通过LPBF制备含有化学稳定ZrB₂的Al–Fe基MMCs的研究尚未全面展开。以往的研究主要集中在不含陶瓷增强体的Al–Fe合金或不含过渡金属的硼化物增强Al基体上[23,27]。因此，对于热稳定、化学惰性的ZrB₂颗粒如何与LPBF处理Al–Fe合金快速凝固形成的微观结构相互作用，尤其是在宽广温度范围内的力学性能影响方面，了解甚少。

因此，本研究探讨了添加ZrB₂颗粒对LPBF处理Al–4Fe合金微观结构和力学行为的影响。采用微米级ZrB₂颗粒以减少颗粒团聚并确保加工过程中的良好流动性。研究考察了LPBF条件下的相形成和微观结构演变，并评估了从室温到400°C的拉伸性能。同时分析了断裂行为，以阐明潜在的强化机制。这些发现为ZrB₂颗粒在提高高温铝基MMCs性能中的作用提供了新的见解，并为设计耐热、机械性能优异的组件提供了实际指导。

粉末制备

Al–Fe合金粉末采用气体雾化法制备，根据电感耦合等离子体（ICP）分析结果，其Fe含量为4.2 wt%。因此，这种Al–Fe合金被称为Al–4Fe合金。商业化的ZrB₂粉末被用作复合粉末的添加剂。复合粉末由90 wt%的Al–4Fe合金粉末和10 wt%的ZrB₂粉末混合而成，所得复合材料称为ZrB₂/Al–4Fe。

粉末表征

图1a–c显示了Al–4Fe、ZrB₂和ZrB₂/Al–4Fe粉末的形态。Al–4Fe粉末呈球形，而ZrB₂粉末形状不规则。ZrB₂/Al–4Fe粉末由不规则形状的粉末和球形粉末混合而成。图1d–f展示了图1c中的EDS分析结果：仅在球形粉末中检测到Al和Fe，而在不规则形状的粉末中检测到Zr。图2显示了粉末的PSA结果及示意图

ZrB₂对粉末特性和LPBF加工性能的影响

粉末表征结果表明，混合后Al–4Fe和ZrB₂粉末基本保持独立状态，未形成均匀混合物。此外，由于颗粒尺寸为微米级，未观察到团聚现象[33]。尽管细小的ZrB₂颗粒可能会降低粉末流动性并促进LPBF过程中的缺陷形成[34]，但测得的豪斯纳比（Hausner ratio）表明其影响较小。

结论

本研究通过LPBF制备了ZrB₂/Al–4Fe复合材料，并研究了ZrB₂颗粒对微观结构演变和力学性能的影响。ZrB₂颗粒在LPBF过程中保持化学惰性和热稳定性，通过晶界钉扎作用使晶粒尺寸从54.5 μm显著细化至17.9 μm，同时Al₆Fe金属间相相对稳定。复合材料在强度和延展性方面均得到了提升

CRediT作者贡献声明

朱赫·崔（Jungho Choe）：撰写初稿、可视化处理、数据整理、概念构思。金京泰（Kyung Tae Kim）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。朴正敏（Jeong Min Park）：撰写、审稿与编辑、方法论设计。俞智勋（Ji Hun Yu）：资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。金恩成（Eun Seong Kim）：实验研究。安松媛（Soung Yeoul Ahn）：方法论设计、实验研究。金亨燮（Hyoung Seop Kim）：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取

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的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国材料科学研究所（KIMS）[项目编号PNKB140]、韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）[项目编号RS-2024-00431717]以及韩国国家研究基金会（NRF）[项目编号NRF-2021R1A2C3006662、NRF-2022R1A5A1030054]的支持。