导读：LPBF制造的高强度铝合金易出现热裂纹，因为在LPBF过程中，α-Al晶粒倾向于沿着热梯度方向外延生长，形成柱状晶，这些柱状晶在热应力和凝固收缩的共同作用下容易形成热裂纹。为了改善这一问题，可以引入形核剂来促进异质形核，消除裂纹并转变柱状晶结构。Al3X（X=Ti, Zr, Nb, Ni, Sc）等金属间化合物相比于陶瓷颗粒具有更好的界面润湿性、更小的热膨胀失配等优势，因此被广泛用作增强材料。

华南理工大学刘允中教授团队通过在AA2024合金中添加D022结构的Al3Ti粉末，在LPBF过程中，Al3Ti由D022向L12的组织结构转变，获得L12-Al3Ti颗粒增强的Al合金，显著改善了合金的微观结构和力学性能，为Al合金及其复合材料的强韧性协同提供了新的思路和见解。相关成果以“Enhanced ductility and strength of Al3Ti particles modified AA2024 alloys produced by laser powder bed fusion”为题，发表在国际著名期刊《Materials Science & Engineering A》上。

研究内容

1.材料制备：亚微米Al3Ti颗粒（高温化学反应合成：670℃，5小时）和AA2024合金粉末（气雾化法制备，10–53μm）用作原料，通过高能球磨细化颗粒尺寸，使平均粒径达到500nm。低速球磨（150rpm，3h，球料比5：1）获得Al3TI/AA2024复合粉末， Al3Ti粉末添加量依次为：0、0.5、1、2.5、3.2和4wt％，LPBF样品对应为：0Al3Ti, 0.5Al3Ti, 1Al3Ti, 2.5Al3Ti, 3.2Al3Ti和4Al3Ti；通过激光功率330 W，扫描速度800 mm/s，层厚30μm，旋转角67°，基板预热至180℃，氩气氛围保护，打印出9*9*9mm³的块状样品。样品进行T6热处理：510℃，1h固溶后水冷，随后180℃，10h时效后空冷。

2.微观结构分析：通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等方法对合金的微观结构进行了表征。

3.力学性能：经T6热处理后，3.2Al3Ti/AA2024样品的抗拉强度提高到533MPa，延伸率达到14.8%。

具体如下：

图1给出了打印样品在XOZ平面上的SEM形态。首先，0Al3Ti样品在XOZ平面上具有粗柱状晶粒的特征，对其机械性能不利。图1a和b可在样品中观察到鱼鳞状熔池。包含细晶粒的大区域组成熔化轨迹，这些区域被由粗柱状晶粒组成的边界分开。使用黄色虚线高亮显示熔池边界（MPB）。可以观察到随着Al3Ti颗粒的加入，熔池边界逐渐变得不明显，显微组织发生转变，柱状晶逐渐被等轴晶取代。

图1. 复合材料的微观结构

通过EBSD研究了不同Al3Ti含量的试样的晶粒结构和织构。图2（a-f）显示了打印样本在XOZ平面上的EBSD反极图（IPF）和相应的极图图像（PF）。结果表明，不同Al3Ti含量的合金在晶粒形貌和晶粒尺寸上存在显著差异，0Al3Ti样品显示出覆盖几个晶粒的裂纹和几百微米的柱状枝晶，其具有平行于构建方向的生长取向。归因于LPBF过程中出现的显著温度梯度和定向冷却。在随着Al3Ti添加量增多(图2(c-f))，柱状晶向熔池中心延伸，由于熔池边界附近的温度较低，保留了较高浓度的Al3Ti颗粒，有助于细化晶粒。而熔池中心温度越高，使Al3Ti颗粒容易溶解到熔体中。随着Al3Ti含量的进一步增加，柱状晶逐渐消失，取而代之的是等轴晶。3.2Al3Ti和4Al3Ti均为细小的等轴晶，没有明显的择优取向，晶粒度显著减小。如图5（g-l）所示，Al3Ti的加入导致最大织构指数逐渐降低和稳定，从0Al3Ti样品的7.02降低到4Al3Ti样品的1.25，表明Al3Ti的改性大大削弱了纤维织构。

图2.各种Al3Ti含量的复合材料的EBSD表征。

如图3所示，细小颗粒均匀地分布在整个Al基体相中时，可能使得屈服强度增加。

图3. 打印态3.2Al3Ti样品的D022结构。

由于有限的溶解度和大的形核过冷度促进了快速冷却过程中诱发包晶反应生成L12-Al3Ti相，如图4所示，在晶粒内部观察到立方L12-A3Ti相。这些相具有与α-Al相同的晶体结构，并具有最小的晶格失配。

图4.打印态3.2Al3Ti样品中的L12-Al3Ti相

Al3Ti的加入有利于AA2024合金的微观组织演变，LPBF制备的AA2024合金力学性能较差，有明显的各向异性，是因为柱状组织断裂率高，热裂纹普遍存在，降低合金的强度。TEM分析表明，印刷后的3.2Al3Ti样品中含有大量具有D022和L12结构的Al3Ti颗粒。这些颗粒通过改变裂纹扩展路径和增加抗裂性来提高强度，促进裂缝分支和桥接，可以增加断裂过程中的能量消耗，与陶瓷添加剂相比，Al3Ti的低熔点提高了晶粒细化效率。经T6热处理后，3.2Al3Ti/AA2024样品的抗拉强度提高到533MPa，延伸率达到14.8%。

图5. 复合材料的机械性能及3.2Al3Ti样品的断口形貌

总结：

本研究通过添加3.2%的Al3Ti粉末，成功消除了AA2024合金在LPBF过程中的热裂纹，并将柱状晶转变为等轴晶，显著改善了合金的可打印性。形成的L12-Al3Ti颗粒可作为异质形核位点细化晶粒尺寸，晶粒尺寸达到1微米。力学性能的提升主要归因于裂纹的消除、晶粒的细化以及L12-Al3Ti的析出强化。经Al3Ti改性后，打印样品具有优异的力学性能，即使不做热处理，试样的抗拉强度和伸长率也达到优异的425±31MPa和13.9±0.9%。