導(dǎo)讀：晶粒細(xì)化是增材制造領(lǐng)域突破高強(qiáng)度鋁合金固有熱撕裂性能瓶頸的關(guān)鍵。在Al-Zn-Mg-Cu合金激光粉床熔合(LPBF)的過程中，本文采用非均相形核、溶質(zhì)驅(qū)動生長約束和納米粒子誘導(dǎo)生長約束等協(xié)同細(xì)化策略來控制合金的微觀組織。在LPBF中加入TiC和TiH2粒子所制備出的無裂紋的Al-Zn-Mg-Cu合金中，晶粒明顯細(xì)化。原位L1 2 -Al 3產(chǎn)生鈦顆粒，促進(jìn)了異相成核；添加 的Ti 溶質(zhì)限制了晶粒生長；而引入的 TiC 納米粒子 (NPs) 則提高了異質(zhì)成核位點(diǎn)的密度并在物理上阻止了晶粒生長。

Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) 系列高強(qiáng)度鋁合金因其優(yōu)異的綜合性能被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，但傳統(tǒng)的鍛造工藝越來越難以滿足日益增長的復(fù)雜需求部分。作為一種增材制造技術(shù)， LPBF具有廣泛的設(shè)計(jì)自由度和加工靈活性。因此，由 LPBF 制造的 Al-Zn-Mg-Cu 合金受到更多關(guān)注，然而，與大多數(shù) AM 金屬材料相似，由于沿構(gòu)建方向的外延晶粒生長，Al-Zn-Mg-Cu 合金中會出現(xiàn)粗大的柱狀晶粒。在大多數(shù)情況下，柱狀晶粒生長是不可取的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的熱裂裂紋和各向異性。解決這個(gè)問題的一個(gè)有效方法是通過孕育控制凝固組織以獲得細(xì)等軸晶粒。

最近的理論發(fā)展普遍認(rèn)為，除了有效的成核劑之外，具有良好分離能力的溶質(zhì)對于晶粒細(xì)化也是至關(guān)重要的，每溶質(zhì)控制生長限制理論。溶質(zhì)元素可以在生長界面之前形成一個(gè)結(jié)構(gòu)過冷 (CS) 區(qū)，從而激活存在的有效成核劑并限制枝晶生長 。鈦?zhàn)鳛橐环N強(qiáng)偏析元素，對α-Al晶粒長大有很強(qiáng)的限制作用。然而，迄今為止，尚未充分研究添加 Ti 對 LPBF 加工的 7xxx 合金晶粒細(xì)化的影響。在過去對 LPBF 加工的 7xxx 合金的研究中，原位Al 3 M成核劑上初生 α-Al 晶粒的異質(zhì)形核主導(dǎo)了 Sc 和/或 Zr 改性 7xxx 合金的晶粒細(xì)化，因?yàn)樘峁┝松L限制效應(yīng)與 Ti 引入相比，添加 Sc 和 Zr 是微不足道的。

華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心研究人員們通過 LPBF 制備了具有提高的拉伸強(qiáng)度和塑性的Al-Zn-Mg-Cu 合金。研究者們成功消除了 (1 wt.%) TiC- 和 (0.8 wt.%) TiH 2改性 Al-Zn-Mg-Cu 合金中的柱狀晶粒和熱裂紋，這帶來了優(yōu)異性能——在 T6 條件下，極限抗拉強(qiáng)度 (UTS) 為 593 ±24 Mpa，屈服強(qiáng)度 (YS) 為 485 ± 41 MPa，伸長率 (EL) 為 10.0% ± 2.5%。Al-Zn-Mg-Cu 合金的 LPBF 加工性能通過包括同時(shí)添加 TiC 和 TiH 2的協(xié)同晶粒細(xì)化策略而提高。這項(xiàng)研究為提高高強(qiáng)度鋁合金LPBF過程中晶粒微觀組織和力學(xué)性能提供了新的思路。

相關(guān)研究成果以題為“Enhanced strength and ductility in Al-Zn-Mg-Cu alloys fabricated by laser powder bed fusion using a synergistic grain-refining strategy”發(fā)表在材料學(xué)頂刊Journal of Materials Science & Technology 上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.12.078

圖1 LPBF加工Al-Zn-Mg-Cu合金面臨的挑戰(zhàn)示意圖（a）和用于凝固結(jié)構(gòu)控制的協(xié)同晶粒精煉策略（b-d）

圖2 Al-Zn-Mg-Cu合金粉末（a）、TiC NPs（b）、TiH2顆粒（c）和功能化粉末（d）的掃描電鏡照片

圖3 鋁鋅鎂銅合金（a）、A1樣品（b）、A2樣品（c）、B0樣品（d）、B1樣品（e）和B2樣品（f）的OM圖像。（g） 竣工樣品的裂紋密度和相對密度。AB1樣品（h）和AB2樣品（i）的OM圖像

圖 4。SEM 圖像顯示了完工合金 XOZ 橫截面的典型晶粒微觀結(jié)構(gòu)

圖5 LPBF加工的Al-Zn-Mg-Cu合金(a, e)、A2 樣品(b, f)、B2 樣品(c, g)的IPF和相應(yīng)的晶粒尺寸分布(a-d)和PF(e-h)和AB2樣品(d, h)

圖6 竣工樣品的XRD圖譜：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2樣品，(c)B2樣品和(d)AB2樣品

圖6顯示了竣工合金的XRD圖譜。未改性和改性Al-Zn-Mg-Cu合金均由α-Al和MgZn2相組成。此外，在A2和AB2樣品的XRD光譜中也發(fā)現(xiàn)了TiC相的峰。在任何樣品中均未檢測到其他相，例如TiH2和Al3Ti相。

圖7 SEM圖像顯示了經(jīng)過NaOH試劑蝕刻后的建成樣品的典型相形貌，并嵌入了相應(yīng)立方體顆粒的EDS結(jié)果：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2樣品，(c)B2樣品，(d)AB2樣品。

圖8 竣工A2樣品的TEM結(jié)果

圖9 竣工B2樣品的TEM結(jié)果

圖10 竣工AB2樣品的TEM結(jié)果

圖11 LPBF加工合金的機(jī)械性能

TiC和TiH 2的結(jié)合同時(shí)提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度和延展性。在 T6 條件下，AB2 樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，UTS 為 593 ± 24 MPa，YS 為 485 ± 41 MPa，EL 為 10.0% ± 2.5%。這些結(jié)果提供了有利的證據(jù)，證明 7xxx 系列高強(qiáng)度鋁合金的機(jī)械性能可以通過 LPBF 過程中的協(xié)同晶粒細(xì)化策略得到改善。并且，盡管斷裂表面有一些孔隙，AB2 樣品仍然表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和延展性。力學(xué)性能的提高主要是由晶粒細(xì)化和熱裂紋抑制引起的。