頂刊綜述《MSER》：鋁合金增材制造孕育處理研究進展

來源： 材料學(xué)網(wǎng)

基于粉末的增材制造（AM），即3D打印，正在徹底改變先進工程金屬材料的制造方式。鋁（Al）合金作為汽車和航空航天行業(yè)的主力材料，一直是增材制造領(lǐng)域的熱門研究材料。然而，在使用AM生產(chǎn)Al組件的廣泛應(yīng)用中仍然存在挑戰(zhàn)。鋁合金在增材制造過程中傾向于形成粗大、有織構(gòu)的柱狀晶粒，這會導(dǎo)致熱裂紋和嚴重的性能各向異性。

近期發(fā)現(xiàn)在AM中對Al合金進行接種處理可成功實現(xiàn)晶粒細化、裂紋消除和性能改善，這在該領(lǐng)域是向前邁進的關(guān)鍵一步。本文綜述了關(guān)于AM制造Al合金接種處理的新興研究，并提供了不同接種技術(shù)、各種接種劑的細化效率及其潛在機制的全面概述。本文首先概述了AM中的凝固特性，重點討論了外延晶粒生長的機制（圖1）。

圖1：在（a）傳統(tǒng)鑄造，（b）增材制造和（c）受接種處理的增材制造中的生長的固/液界面前的生成成分過冷 (), 熱過冷（以及成核所需的臨界過冷度（的示意圖.

隨后對AM過程中Al合金接種處理的最新進展進行了全面回顧，旨在為讀者提供AM制造Al合金中晶粒細化的最前沿知識（圖2-4）。其中包括對Zr, Ti，Sc，Ta等Al3X（X=Zr, Ti, Sc, Ta）形核劑形成元素及其化合物的整理，也回顧了混合接種技術(shù)在晶粒細化中的優(yōu)異表現(xiàn)。相比起其他細化劑，原位形成的Al3X細化劑在晶粒細化方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。這可能和它們更加均勻的成分和尺寸分布有關(guān)。這種細化劑由于在AM過程中快速凝固的特性而具有納米級的尺寸。在合理的添加范圍內(nèi)該納米顆粒不僅能提高強度，還不會明顯影響合金的塑性。另外，通過對現(xiàn)有文獻的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)混合接種技術(shù)（即通過多種細化劑的接種）相比單一接種細化劑的細化效果高得多。其中的機理研究表明，混合細化劑可能會相互組合產(chǎn)生協(xié)同作用，進一步降低基體鋁與細化劑的晶格錯配，提高細化效率。

圖2：(a)AM制造7075鋁合金以及(b)接種ZrH2后的該合金晶粒形貌圖和（c）拉伸性能圖。（d-f）Zr在AM過程中的細化機理TEM分析（d）TEM明場圖，（e）EDS元素分布以及（f）選區(qū)衍射花樣。

圖3：AM制造含TiB2的AlSi10Mg鋁合金的（a）晶粒形貌圖和（b）微觀結(jié)構(gòu)圖。（c-f）TiB2在AM過程中的細化機理TEM分析。

圖4：(a)AM制造7075鋁合金以及(b)單獨接種TiH2，和（c）混合接種TiH2以及B的7075合金晶粒形貌圖。（d-f）混合接種的細化機理TEM分析（d）TEM明場圖，（e）高分辨TEM圖以及（f）對應(yīng)的FFT圖。該圖表明混合接種TiH2以及B形成了含Al3Ti薄膜的TiB2納米顆粒。相比起單獨的Al3Ti和TiB2，這種復(fù)合顆粒的穩(wěn)定性和細化效果更好。

此外，本文通過對AM制造鋁合金中現(xiàn)有的晶粒細化劑進行了晶體學(xué)計算（圖5），評估了他們在不同合金中的晶粒細化效率，為未來工業(yè)化應(yīng)用提供了指導(dǎo)。我們發(fā)現(xiàn)在AM制造中，細化劑的細化效率與它們與基體Al的錯配度密切相關(guān)，這與傳統(tǒng)凝固中的現(xiàn)象一致。綜述還包括了作者對當前挑戰(zhàn)和利用AM制造先進Al合金的潛在機會的理解與討論。據(jù)此提供了該領(lǐng)域即將到來的前景、科學(xué)理解中的空白和擴大AM在制造高性能Al合金方面的研究需求。

圖5：（a）通過激光粉床熔化（L-PBF）制造的2024和7075鋁合金中，接種劑達到完全/接近完全柱狀向等軸晶轉(zhuǎn)變（CET）所需的臨界添加量。（b）通過E2EM模型計算，成核劑與Al基體間的定向關(guān)系（ORs）對應(yīng)的原子間錯配度值。

基于對已發(fā)布結(jié)果的綜述，可以得出以下結(jié)論：

·AM中的晶粒細化：AM中熔池凝固所伴隨的大熱梯度傾向于促進柱狀晶粒的形成。然而，接種處理作為傳統(tǒng)鑄造中的關(guān)鍵策略，在AM中有效地促進了柱狀向等軸晶轉(zhuǎn)變。在金屬鑄造中建立的晶粒細化理論和模型，如相互依賴理論和E2EM模型，為理解AM制造Al合金中的晶粒細化機制提供了寶貴見解。

·接種處理：引入有效的成核粒子增強了熔池中的異質(zhì)成核，限制了晶粒生長，并導(dǎo)致細小的晶粒微結(jié)構(gòu)。AM中有效的接種劑包括形成Al3X的元素如Zr、Sc、Ti，以及TiB2、LaB6等化合物。它們的效率在很大程度上由成核劑/Al基體界面的原子間匹配度決定。

·AM專用的新合金開發(fā)：接種處理的概念在專門為AM開發(fā)新的Al合金中起到了核心作用。這些合金，通常含有Sc、Zr和Ti等接種劑，顯示出高打印性，并能在AM的廣泛加工窗口中實現(xiàn)等軸晶結(jié)構(gòu)。

·優(yōu)化接種處理：雖然增加接種劑的添加量可以提高晶粒細化效率，但需要仔細優(yōu)化，以平衡細化效率與機械性能，并避免過量夾雜�；旌辖臃N方法在增加成核粒子密度方面顯示出提高細化效率的潛力。此外，通過控制加工過程和添加適當?shù)娜苜|(zhì)，還可以進一步提高接種處理的細化效率。

以上見解可以運用到大部分增材制造鋁合金中實現(xiàn)晶粒細化，并可以運用于開發(fā)“高抗裂性，高強度高塑性3D打印鋁合金”這一熱門領(lǐng)域。這一思路于2024年2月6號以《鋁合金增材制造孕育處理研究進展》（“Recent advances in inoculation treatment for powder-based additive manufacturing of aluminium alloys”）為題發(fā)表在國際頂級綜述期刊Materials Science and Engineering: R: Reports （IF=31）。澳大利亞昆士蘭大學(xué)機械與采礦工程學(xué)院為論文唯一單位。譚啟玚研究員為此綜述的第一作者，張明星教授為通訊作者。

全文及所附支持材料，見 https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100773