導(dǎo)讀：鋁合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，航空航天技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提出了越來(lái)越高的要求。目前，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（AMCs）備受研究人員所關(guān)注，但其強(qiáng)化相的選擇主要集中在TiB2/TiC/SiC/AlN等陶瓷顆粒上。本文作者首次選用納米TiN顆粒，通過(guò)簡(jiǎn)單而高效的超聲振動(dòng)分散技術(shù)，成功制備了低成本且混合均勻的TiN/AlSi10Mg復(fù)合粉末，大幅降低了復(fù)合粉末的激光反射率，提高了激光可加工性，使SLM成形的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到492 ± 5.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到近8%，相比于未增強(qiáng)AlSi10Mg材料有了極大的提高。

激光選區(qū)熔化（SLM）被廣泛用于制造具有復(fù)雜形狀、近乎全致密的高性能金屬零件，可以大幅提高材料利用率，縮短生產(chǎn)周期。 輕質(zhì)鋁硅（Al-Si）合金具有良好的可焊性和淬透性，同時(shí)保持了良好的耐蝕性。然而，隨著工業(yè)界對(duì)具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能（如高比強(qiáng)度和比剛度等）的先進(jìn)材料需求的不斷增長(zhǎng)，鋁基納米復(fù)合材料（AMCs）得到了研究人員越來(lái)越多的重視。

近期，華南理工大學(xué)肖志瑜教授課題組及合作者，開發(fā)了一種由納米TiN陶瓷顆粒改性、適用于SLM制備工藝，且具有高強(qiáng)度和良好塑性的TiN/AlSi10Mg復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Simultaneous enhancement of strength, ductility, and hardness of TiN/AlSi10Mg nanocomposites via selective laser melting”發(fā)表在期刊《Additive Manufacturing》（IF:7.0）。

論文鏈接為：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101378

研究人員巧妙的選取具有優(yōu)異光學(xué)性能，常用作涂層材料的納米TiN陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相，通過(guò)采用有別于傳統(tǒng)球磨法的簡(jiǎn)易超聲振動(dòng)分散技術(shù)，阻止納米顆粒團(tuán)聚，成功使得納米TiN顆粒均勻分布在AlSi10Mg表面，維持了粉末良好的球形度，并極大的降低了復(fù)合粉末的激光反射率，從而提高了復(fù)合粉末的SLM可加工性。通過(guò)調(diào)節(jié)TiN含量，最終制備出了全致密的成形試樣。

圖1 TiN/AlSi10Mg復(fù)合粉末的激光反射率以及激光束和復(fù)合粉末交互作用示意圖

圖2 不同TiN含量成形試樣的晶粒取向分布圖：（a）0 wt%;（b）2 wt%;（c）4 wt%;（d）6 wt%

圖3 不同TiN含量成形試樣的晶粒尺寸分布、晶界取向差分布以及再結(jié)晶分布圖。

納米TiN顆粒的添加使得未增強(qiáng)AlSi10Mg試樣中具有（001）擇優(yōu)取向的粗晶逐漸轉(zhuǎn)變成復(fù)合材料中無(wú)明顯擇優(yōu)取向的細(xì)等軸晶，使得顯微組織均勻化，消除了由于打印過(guò)程中由溫度梯度引起的各向異性。雙峰分布的納米TiN顆粒還能夠進(jìn)一步促進(jìn)再結(jié)晶的進(jìn)程。在再結(jié)晶成核過(guò)程中，較大的亞微米TiN顆粒通常充當(dāng)非均勻形核質(zhì)點(diǎn)；而較小的納米TiN顆粒在凝固過(guò)程中被液相凝固前沿推向晶界，起到釘扎（Zener pinning）作用，從而抑制晶粒生長(zhǎng)。晶界首先以小角度晶界（LAGBs）的形式出現(xiàn)，隨著復(fù)合材料中TiN含量的增加，再結(jié)晶過(guò)程會(huì)持續(xù)進(jìn)行，亞晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，晶界取向差增加，使得晶界從小角度晶界（LAGBs）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы纾℉AGBs）。 HAGBs和納米TiN顆粒提供了有效的屏障，可阻礙再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。因此，隨著再結(jié)晶過(guò)程的深入，細(xì)化的晶粒得以保留。

圖4（a-d）SEM顯示不同含量的TiN/AlSi10Mg成形樣品的顯微組織和（e-h）TEM表明納米TiN顆粒的分布狀態(tài)。

在多種強(qiáng)化機(jī)理的共同作用下，TiN/AlSi10Mg復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性同時(shí)得到提升。其中抗拉強(qiáng)度達(dá)到492± 5.5 MPa，提高近 40%，而斷裂伸長(zhǎng)率有了近90%的提升。該組成員設(shè)計(jì)和制備的TiN/AlSi10Mg復(fù)合材料的力學(xué)性能要優(yōu)于或接近于目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)中所報(bào)道的SLM成形Al-Si合金、Al基復(fù)合材料、以及其他系列高強(qiáng)鋁合金。

圖5不同TiN含量的TiN/AlSi10Mg復(fù)合材料的力學(xué)性能以及與其他SLM成形鋁合金及其復(fù)合材料力學(xué)性能的比較。

總的來(lái)說(shuō)，本文從提高鋁合金SLM可加工性的角度，通過(guò)選用具有優(yōu)異光學(xué)特性的納米TiN顆粒來(lái)改性AlSi10Mg粉末，最終成功制備出具有強(qiáng)度和塑性同時(shí)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，為SLM成形高性能鋁基復(fù)合材料的研究提供新的路徑和參考。