上海交大《MRL》：TiB2顆粒改善2024鋁合金可打印性的作用

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

增材制造技術(shù)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性高、材料利用高的特點(diǎn)，為復(fù)雜構(gòu)件近凈成形提供機(jī)遇。目前能應(yīng)用于增材制造的鋁合金主要為Al-Si和Al-Si-Mg體系鑄造鋁合金。以2024Al（Al-Cu-Mg）合金為代表的鍛造系高強(qiáng)鋁合金，作為結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。然而2024Al合金具有較高的熱裂敏感性，凝固過(guò)程易出現(xiàn)熱裂紋而難以采用增材制造打印成形。因此本研究采用原位自生方式引入TiB2納米顆粒解決難打印高強(qiáng)鋁合金成形問(wèn)題，建立顆粒含量與晶粒結(jié)構(gòu)及尺寸之間的關(guān)系，獲得可與鍛態(tài)2024Al合金力學(xué)性能相當(dāng)?shù)拇蛴�態(tài)材料。

異質(zhì)顆粒的引入可有效提高2024Al合金的打印成形性，細(xì)化晶粒尺寸，增強(qiáng)構(gòu)件力學(xué)性能，然而TiB2顆粒的引入對(duì)于晶粒組織的影響及晶粒細(xì)化水平尚不清楚，目前需要建立顆粒含量與晶粒尺寸之間的關(guān)系式，明確顆粒含量與微觀組織的定量化關(guān)系。上海交通大學(xué)王浩偉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海光源、英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院、英國(guó)盧瑟�！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室成功通過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出含不同TiB2顆粒的2024鋁基復(fù)合材料，通過(guò)試驗(yàn)表征不同含量TiB2顆粒引入后，打印態(tài)構(gòu)件晶粒組織由單一的粗大柱狀晶演變?yōu)榧?xì)小的等軸晶-柱狀晶雙晶區(qū)晶粒組織，提出了顆粒含量與等軸晶晶粒尺寸之間的定量化關(guān)系式。相關(guān)工作以題為“The role of in-situ nano-TiB2 particles in improving the printability of noncastable 2024Al alloy”的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為博士研究生孫騰騰，王洪澤副教授、吳一高級(jí)工程師與汪明亮副研究員為共同通訊作者，論文其他作者包括上海交大王浩偉講席教授、博士研究生高振洋、博士研究生金鑫源、上海光源付亞楠研究員、英國(guó)皇家工程院院士Peter D. Lee和倫敦大學(xué)學(xué)院Chu Lun Alex Leung教授。論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、安徽省淮北市重大科技專項(xiàng)、歐盟瑪麗居里學(xué)者項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2080514

圖1. （a-f）不同TiB2顆粒含量下打印態(tài)材料內(nèi)部孔洞分布，（g）孔洞尺寸分布圖，（h）打印態(tài)樣品致密度測(cè)試結(jié)果，（i）不同顆粒含量粉末激光反射率測(cè)試結(jié)果

圖2. （a-f）不同TiB2顆粒含量下打印態(tài)材料微觀組織；（g-l）含不同TiB2顆粒打印態(tài)材料晶界分布及織構(gòu)強(qiáng)度

圖3. （a-c）試驗(yàn)所得不同顆粒含量打印態(tài)材料晶粒尺寸；（d）晶粒尺寸與TiB2顆粒含量擬合關(guān)系圖

孫騰騰等采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成功制備含不同原位自生納米TiB2顆粒含量的2024Al基復(fù)合材料，研究表明，純合金打印態(tài)微觀組織主要為平均晶粒尺寸~38.8 μm的柱狀晶，經(jīng)顆粒修飾后，形成柱狀-等軸雙晶區(qū)的細(xì)小晶粒組織，其等軸晶約占75%，復(fù)合材料平均晶粒尺寸隨TiB2含量增加而逐漸減小。同時(shí)，復(fù)合材料中大角晶界的百分含量相比合金以及傳統(tǒng)制造方式所得材料大幅提高，可有效阻礙變形過(guò)程中的位錯(cuò)移動(dòng)，提高構(gòu)件力學(xué)性能。試驗(yàn)所得等軸晶晶粒尺寸與顆粒含量的立方根經(jīng)擬合呈線性關(guān)系，所得關(guān)系式如下：

此研究首次對(duì)增材制造顆粒引入型2024高強(qiáng)鋁合金顆粒含量與微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)整TiB2顆粒含量，調(diào)控打印態(tài)復(fù)合材料微觀組織及晶粒尺寸，上述成果為增材制造打印成形顆粒引入型高強(qiáng)鋁合金的微觀組織調(diào)控及顆粒的晶粒細(xì)化效率提供了理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)途徑。