增材頂刊《Addit Manuf》：低成本新策略打印高強(qiáng)耐熱鋁合金！

來源：材料科學(xué)與工程

導(dǎo)讀

金屬增材制造（又稱3D打印）技術(shù)作為一種尖端的材料成形手段，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)與成型及高性能合金的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的機(jī)遇。在雙碳約束背景下，市場對產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的需求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，在室溫和高溫下兼具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)鋁合金復(fù)雜零部件受到汽車、航空航天和國防工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。立足于此，本文研究了納米氧化鈦顆粒添加對2219高強(qiáng)鋁合金成形性、微觀組織與力學(xué)性能的影響。CT結(jié)果表明，納米氧化鈦顆粒改性后的2219鋁合金打印試樣消除了裂紋，同時(shí)打印件致密度高達(dá)99.97%。相比于改性前2219鋁合金中的粗大柱狀晶，納米氧化鈦改性后的2219鋁合金打印態(tài)試樣晶粒呈雙峰分布，即熔池邊緣細(xì)小的等軸晶與熔池內(nèi)部細(xì)小的柱狀晶。與以往的共識相反，在納米氧化鈦改性后的2219鋁合金打印件中，顯著的晶粒細(xì)化現(xiàn)象是由鋁基體中大量具有高形狀限制因子（Q值）的鈦溶質(zhì)造成的，而非原位生成的Al3Ti顆粒提供的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)所引起。直接時(shí)效熱處理后的試樣在室溫到315℃的溫度范圍內(nèi)均展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性組合，可與傳統(tǒng)的鍛造2219相媲美并優(yōu)于其他增材制造手段成形的2219鋁合金。

正文

高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和豐富的資源儲(chǔ)量等優(yōu)勢使高強(qiáng)鋁合金成為汽車、航空航天等領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用材料。與此同時(shí)，金屬增材制造作為一種靈活高效的材料制備手段，為高性能鋁合金的應(yīng)用與開發(fā)帶來了新的契機(jī)。然而，盡管鋁合金在航空航天和汽車動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，但它們還沒有被廣泛應(yīng)用在復(fù)雜零構(gòu)件的金屬增材制造中。通常而言，具有最佳性能的沉淀硬化鋁合金由于具有較大的凝固溫度區(qū)間，在凝固過程中容易發(fā)生熱裂現(xiàn)象。因此，目前大多數(shù)鋁合金的金屬增材制造都局限于近共晶的鋁硅成分（如AlSi10Mg等），這些成分雖然相對容易通過金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行零部件的加工成形，但其成型件性能無法與2xxx或7xxx系列變形鋁合金相比較。

針對增材制造高溫鋁合金的開發(fā)，目前學(xué)界公認(rèn)的發(fā)展方向有以下兩個(gè)方面：第一類是放棄為傳統(tǒng)制備加工流程設(shè)計(jì)的成熟合金體系，采用為增材制造工藝單獨(dú)設(shè)計(jì)和開發(fā)新型合金為主；第二類是利用現(xiàn)有成熟體系，通過添加納米晶粒細(xì)化劑等改性手段以降低熱裂敏感性提高合金成型能力。與此同時(shí)，高溫鋁合金新應(yīng)用的主要目標(biāo)是在中等溫度下（如200-400℃）能部分取代原有的鈦合金，鋼和高溫合金等材料。對于第一類方法而言，目前已經(jīng)有一些針對增材制造技術(shù)定制的高溫鋁合金出現(xiàn)，許多研究人員也開始開發(fā)研究新的合金系統(tǒng)。但此類合金通常存在兩個(gè)嚴(yán)重的問題：一是由于合金設(shè)計(jì)中加入了大量的重金屬元素（如Ni，Ce，Cu等）導(dǎo)致這些合金的密度較高（通常大于3g/cm3）；二是此類新合金的使用還暫未得到大規(guī)模的安全驗(yàn)證（尤其是對材料非�？量痰暮娇蘸教祛I(lǐng)域），短時(shí)間內(nèi)難以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此，通過對已有的高強(qiáng)鋁合金改性的低成本方法可能成為增材制造高溫鋁合金短期內(nèi)大規(guī)模商業(yè)化的合金開發(fā)方向。

在此，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授團(tuán)隊(duì)提出了一種低成本的新策略來打印出高強(qiáng)耐熱鋁合金零件。研究團(tuán)隊(duì)以典型的2219變形鋁合金（在25-315℃內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能）為研究對象，通過添加少量（1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）低成本的納米氧化鈦顆粒（目前已廣泛運(yùn)用在光催化，復(fù)合材料制備等領(lǐng)域），利用鋁的強(qiáng)還原性使得氧化鈦在打印過程中與鋁發(fā)生鋁熱還原反應(yīng)。使具有高形狀限制因子（Q值）的鈦元素能固溶在鋁基體中細(xì)化晶粒，從而消除裂紋并顯著提高力學(xué)性能。值得一提的是，目前打印鋁合金的晶粒細(xì)化策略主要是通過產(chǎn)生與鋁合金晶格匹配的顆粒借以提供形核位點(diǎn)從而促進(jìn)大量異質(zhì)形核的生成，包括通過外加的顆粒（如TiN，TiC，TiCN，TiB2等）和原位生成的析出物（如Al3X，X為能與鋁合金發(fā)生包晶反應(yīng)的元素如Ti，Sc，Zr，Ta，Nb，V等）。

而本文的結(jié)果則表明單獨(dú)利用鈦元素在鋁中的高形狀限制因子（Q值）也能在增材制造鋁合金中促進(jìn)晶粒細(xì)化并消除裂紋。同時(shí)直接低溫（120℃）時(shí)效熱處理后的試樣在25-315℃范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性組合，使得其能夠滿足特定的高溫條件下的使用要求。相關(guān)成果以題“Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。文章的第一作者為香港城市大學(xué)-南方科技大學(xué)2021級聯(lián)合培養(yǎng)博士生李干與南方科技大學(xué)博士后黃禹赫（現(xiàn)北京科技大學(xué)講師），通訊作者為南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士，論文合作者還包括深圳大學(xué)副研究員李欣蔚博士與香港城市大學(xué)福田研究院副研究員郭川博士。

圖1 添加TiO2納米顆粒前后的2219鋁合金在不同溫度下的力學(xué)性能

圖2 用于粉末床激光熔融打印的原材料表征

圖3 鋁合金打印策略

圖4 添加TiO2納米顆粒前后2219鋁合金打印試樣的3D-CT結(jié)果

圖5 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金打印試樣的缺陷表征

圖6 添加TiO2納米顆粒前后2219鋁合金打印試樣的EBSD表征

圖7 添加TiO2納米顆粒前后2219鋁合金打印態(tài)試樣顯微組織

圖8 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金打印態(tài)試樣的SEM表征

圖9 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金打印態(tài)試樣TEM表征

圖10 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金打印態(tài)試樣中的析出相表征

圖11 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金熱處理態(tài)試樣中的元素分布與析出相表征

圖12 添加TiO2納米顆粒后2219鋁合金熱處理態(tài)試樣的球差TEM原位加熱試驗(yàn)結(jié)果

圖13 添加TiO2納米顆粒對2219鋁合金凝固路徑及熱裂行為的影響

盡管添加納米氧化鈦顆粒能極大地提高2219鋁合金的力學(xué)性能，但其比強(qiáng)度相較于鈦合金（如TC4）差距仍然較大。尤其是在200℃以上時(shí)性能急劇下降，這也是鋁合金所存在的普遍問題（圖1b）。因此，開發(fā)出適用于AM的低成本、低密度的高強(qiáng)耐熱鋁合金依然任重而道遠(yuǎn)，還需進(jìn)一步深入探索。

綜上所述，本文研究了納米氧化鈦顆粒的添加對2219鋁合金在粉末床激光熔融增材制造打印過程中的成形性，微觀組織與力學(xué)性能的影響。根據(jù)此研究結(jié)果，可以得出以下主要結(jié)論：
1.添加1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化鈦顆粒的2219的鋁合金可以在粉末床激光熔融過程中抑制裂紋的產(chǎn)生并得到致密的打印件。CT結(jié)果表明，改性后的2219鋁合金打印試樣致密度高達(dá)99.97%。
2.相比于2219鋁合金中的粗大柱狀晶，改性后的2219鋁合金打印態(tài)試樣晶粒呈雙峰分布，即熔池邊緣細(xì)小的等軸晶與熔池內(nèi)部細(xì)小的柱狀晶。顯著的晶粒細(xì)化效果歸因于鋁合基體中大量具有高形狀限制因子的（Q值）鈦溶質(zhì)，而非原位生成的與鋁基體晶格匹配的Al3Ti顆粒。
3.在120℃直接時(shí)效熱處理過程后，改性后的2219鋁合金中的析出相的類型與尺寸并未有顯著的變化。熱處理后的試樣在25-315℃范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性組合，可與傳統(tǒng)的鍛造2219鋁合金相媲美并優(yōu)于其他增材制造技術(shù)成形的2219鋁合金。

文章來源: Gan Li, Yuhe Huang, Xinwei Li, Chuan Guo, Qiang Zhu, Jian Lu, Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute, Additive Manufacturing, 60 (part B) (2022) 103296, https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103296.

通訊作者簡介

朱強(qiáng)教授（通訊作者）：朱強(qiáng)，1994年畢業(yè)于德國愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位；曾任北京有色金屬研究總院副總工程師、首席專家、學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、國家有色金屬復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心副主任、北京市金屬先進(jìn)成形技術(shù)中心首創(chuàng)主任，科技部十二五《高品質(zhì)特殊鋼和高溫合金》總體專家組專家�，F(xiàn)為英國材料、礦業(yè)與礦物學(xué)會(huì)會(huì)士，第十五屆國際半固態(tài)技術(shù)委員會(huì)主席，中鑄協(xié)半固態(tài)技術(shù)工作委員會(huì)主任委員。先后參與或主持法國科學(xué)中心中法合作項(xiàng)目、德國國家自然基金項(xiàng)目、英國國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、英中國際合作項(xiàng)目以及康明斯全球渦輪增壓器關(guān)鍵部件壓葉輪和渦輪的壽命改進(jìn)項(xiàng)目。近5年先后承擔(dān)國家科技支撐、國際合作、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及省市等縱向科研項(xiàng)目和企業(yè)合作橫向項(xiàng)目。曾獲國際合金及復(fù)合材料半固態(tài)加工技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、北美國際半固態(tài)/擠壓鑄造大獎(jiǎng)以及兩次康明斯技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)等。受邀多次在國際著名學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告，發(fā)表論文170余篇，編輯出版專著2本，國際發(fā)明專利1項(xiàng)及中國專利50項(xiàng)。

呂堅(jiān)院士（通訊作者）: 呂堅(jiān)，法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士、香港工程科學(xué)院院士、香港城市大學(xué)機(jī)械工程講座教授、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心主任，Nano Materials Science主編。研究方向涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學(xué)性能，機(jī)械系統(tǒng)仿真模擬設(shè)計(jì)。曾任法國機(jī)械工業(yè)技術(shù)中（CETIM）高級研究工程師和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、法國特魯瓦技術(shù)大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系系主任、法國教育部與法國國家科學(xué)中心（CNRS）機(jī)械系統(tǒng)與并行工程實(shí)驗(yàn)室主任、香港理工大學(xué)機(jī)械工程系系主任、講座教授、香港城市大學(xué)院長，副校長兼研究生院院長。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南昌大學(xué)名譽(yù)教授，西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和西南交通大學(xué)顧問教授，上海大學(xué)、中山大學(xué)、中南大學(xué)等大學(xué)客座教授，中科院知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員，2011年被法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽(yù)騎士勛章及法國國家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎(jiǎng)。已取得53項(xiàng)歐、美、中專利授權(quán)，在本領(lǐng)域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等專業(yè)雜志上發(fā)表論文450余篇，被引31900余次。