原位表面改性的增材制造納米WC/AlSi10Mg 合金增強機制

來源：中國有色金屬學報

隨著新能源汽車、航空航天、高端裝備等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)朝輕量化、智能化方向快速發(fā)展，對輕量化結構件的“材料-結構-性能一體化”要求越來越高，使用激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造技術制造高性能鋁基結構件已成為當前研究熱點�，F(xiàn)有研究多采用添加納米陶瓷顆粒作為鋁合金基體增強相，提升SLM成形鋁基復合材料的綜合性能。眾所周知，納米WC顆粒具有優(yōu)異耐磨和力學性能，常作為鐵基、鎳基、鈷基和鋁基復合材料的增強相。本文選擇納米WC顆粒作為增強相，添加到AlSi10Mg基體中，通過選擇性激光熔化增材制造技術（SLM）制備高性能的鋁基納米復合材料。為克服納米WC顆粒之間因范德華力而產(chǎn)生的自團聚問題，采用靜電自組裝工藝制備納米WC復合AlSi10Mg鋁合金粉末，在最優(yōu)SLM成形工藝下3D打印所需試樣，系統(tǒng)研究納米WC添加對AlSi10Mg鋁合金基體晶粒形貌、析出相分布、相組成、力學和摩擦磨損性能的影響，明確其形核機理及鋁基體微觀組織演變和性能調(diào)控機制。

文章亮點
證實了SLM 制備的納米WC/AlSi10Mg 材料中形成多種Al−W 金屬間化合物相，通過(002)α(Al)//(104)Al5W 的取向關系，確認具有4.7%的低晶格失配度的Al/Al5W 可形成良好共格界面，納米WC 顆粒和Al−W 相可促使柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶，獲得精細的等軸晶組織。

圖1 SLM成形納米WC/AlSi10Mg試樣中納米顆粒相HRTEM、EDS和SAED分析(a) Al5W 相; (b) Al12W 相; (c) Al4W 相

圖1所示為添加1 wt.%納米WC試樣中觀察的粒狀顆粒形貌、EDS元素分析、界面及電子衍射斑點圖，結果表明該顆粒為Al5W相。對其界面高分辨照片中界面兩側的晶面間距進行計算，表明α-Al 和Al5W之間具有匹配良好的共格界面，界面晶體學關系為圖片和(002)α(Al)//(104)Al5W。納米顆粒點I的C元素含量比較高，表明Al5W主要是圍繞分解的納米WC顆粒周邊形成和長大。需要特別注意的是電子衍射斑點圖中還出現(xiàn)了明顯衍射環(huán)，對應于 (012)Al5W 和 (022)Al5W相，進一步證實基體組織中生成了大量細小納米Al5W顆粒。為確認Al5W與α-Al的共格界面，采用方程式（1）計算了α-Al（立方，F(xiàn)m-3m空間群）與Al5W（六方，P63空間群）晶格匹配度。此外，在圖1 (a)和(b)的SAED衍射斑點中，均有檢測到α-Al的衍射斑點。

同時采用第一性原理計算了Al/Al5W界面的不同參數(shù)和晶體結構，如圖2所示。模擬和計算結果都表明兩者之間能形成穩(wěn)定的共格界面，通過方程式（1）計算 (002)α-Al 和 (104)Al5W晶格匹配度為4.7%，小于形成共格界面所需最低錯配度5%的要求。這些模擬計算結果也進一步證實了圖1 (a)高分辨HRTEM中觀察到的良好共格界面。如圖1 (c)所示，通過EDS元素和電子衍射斑點結果分析，證實了添加5 wt.%納米WC成形試樣中觀察到的多邊形納米顆粒 Ⅲ為納米Al4W相。與Al/Al5W的共格界面不同，Al/Al4W之間為半共格界面，通過計算高分辨HRTEM中界面兩側的晶面間距，證實界面兩側的晶面分別為(110)Al4W and (111)α-Al。這種半共格界面有可能是位錯形成原因。此外，通過分析不同納米顆粒的電子衍射斑點，在添加1 wt.%納米WC的成形試樣中，還檢測到在XRD檢測中沒有出現(xiàn)的Al12W相，其形成也在類似文獻中有報道，形成的可能反應式如式（2）所示：

式中， δ 是晶格匹配度, α 是不同相的晶格常數(shù)。

圖2 (002)α-Al/(104)Al5W 界面模擬計算圖

上述反應方程式（2）表明，Al12W相是隨著凝固過程中納米Al5W的進一步分解而產(chǎn)生，因此在添加不同納米WC的SLM成形試樣中僅有少量納米Al12W生成。同時，如圖2中所示，納米顆粒 Ⅱ的Al和C元素含量非常高，而W元素含量為零，推測這一納米顆粒有可能為Al4C3相，然而因為含量過少，在XRD中無明顯衍射峰出現(xiàn)。
總結來看，在SLM成形激光熔池的高溫作用下，添加的納米WC顆粒部分溶解于α-Al基體，并與鋁合金基體的主要元素反應生成一系列Al-W金屬間化合物。隨著激光選區(qū)熔化的熔池開始凝固，高熔點納米WC和Al-W化合物顆粒傾向于形成。計算表明(104)Al5W相和(002)α-Al相之間的晶格失配為4.7%，根據(jù)Turnbull和Vonnegut的研究結果，臨界形核過冷度（ΔTn）與晶格失配度（δ）的變化呈正相關，符合方程式（3），其中CE是彈性系數(shù)，ΔSv是單位體積相變熵：

因此，基于Al5W相與α-Al基體之間良好的共格界面，可以促進柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶組織，抑制晶粒的生長。另外也可以作為異質形核劑促進Mg2Si相析出。

研究結論
采用靜電自組裝工藝分別制備了不同含量WC的AlSi10Mg復合粉末，在最優(yōu)SLM成形工藝條件下，制備得到1 wt.%、3 wt.%和5 wt.%納米WC/AlSi10Mg成形試樣。系統(tǒng)研究了納米WC添加量對顯微組織演變及性能影響規(guī)律，優(yōu)化納米WC對鋁合金基體的合適添加量。初步探索了納米WC顆粒在鋁基體中的界面微結構、顯微組織調(diào)控及性能強化機理。通過晶格參數(shù)計算Al5W與α-Al的晶格匹配度為4.7%，Al5W/Al界面微結構表征也證實了Al5W/Al間具有良好共格界面，其界面晶體學關系為圖片和 (002)α-Al//(104)Al5W�；�于Al5W與α-Al的共格界面及其他納米Al-W中間相的強化作用，顯著提升了SLM成形AlSi10Mg試樣的力學和摩擦磨損性能。

引用格式
Jiang-long YI, Han-lin LIAO, Cheng CHANG, Xing-chen YAN, Min LIU, Ke-song ZHOU. Reinforcing effects of nano-WC in AlSi10Mg alloy assisted by in-situ surface modification approach [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34 (01): 50-64.

研究團隊

劉敏
教授級高級工程師，博士生導師

現(xiàn)任廣東省科學院副院長，現(xiàn)代材料表面工程技術國家工程實驗室主任，中國材料研究學會常務理事，中國機械工程學會表面工程分會副主任，中國腐蝕學會高溫腐蝕與防護專業(yè)委員會分會副主任。先后主持和參加973、863、國際合作、軍工配套等項目40多項，研究成果已經(jīng)廣泛應用于航空、鋼鐵、包裝印刷和能源等國民經(jīng)濟部門。入選“新世紀國家百千萬人才工程”，享受國務院政府特殊津貼。獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎7項、省部級二等獎5項。發(fā)表論文200多篇、授權專利50多件。研究方向主要有表面工程技術和增材制造技術。
        
閆星辰
博士，副研究員

一直從事金屬激光制造技術研究，入選 2022 年斯坦福全球前 2%科學家、中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、廣東省科學院“百人計劃”C類人才等，獲得中國有色金屬工業(yè)科技進步二等獎 1 項，目前擔任中國表面工程協(xié)會委員、廣東省機械工程學會增材制造分會理事長、廣東省增材制造協(xié)會副理事長、廣東省大灣區(qū)激光與增材制造產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長和廣東省重點領域研發(fā)計劃項目及自然科學基金評審專家等。在生物醫(yī)用金屬增材制造仿生多孔結構設計原理、控形控性新方法及機理、生物醫(yī)療創(chuàng)新應用等方面取得了系列創(chuàng)新成果，相關成果在 Additive Manufacturing、Materials Research Letters等國內(nèi)外權威期刊發(fā)表學術論文 80 余篇，總引 2300 余次，H 指數(shù) 27，并編寫著作 2 部，論著證明材料見附件3。累計申請國家專利 34 件及 PCT 和美國發(fā)明專利各 1 件，其中第一發(fā)明人授權國家發(fā)明專利 7 件。

論文鏈接：http://www.ysxbcn.com/paper/paperview.aspx?id=paper_1051214