上海交大《MRL》：TiB2顆粒改善2024鋁合金可打印性的作用

來源：材料科學與工程

增材制造技術具有結構設計靈活性高、材料利用高的特點，為復雜構件近凈成形提供機遇。目前能應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鋁合金，作為結構件廣泛應用于航空航天領域。然而2024Al合金具有較高的熱裂敏感性，凝固過程易出現(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鋁合金成形問題，建立顆粒含量與晶粒結構及尺寸之間的關系，獲得可與鍛態(tài)2024Al合金力學性能相當?shù)拇蛴B(tài)材料。

異質顆粒的引入可有效提高2024Al合金的打印成形性，細化晶粒尺寸，增強構件力學性能，然而TiB2顆粒的引入對于晶粒組織的影響及晶粒細化水平尚不清楚，目前需要建立顆粒含量與晶粒尺寸之間的關系式，明確顆粒含量與微觀組織的定量化關系。上海交通大學王浩偉教授團隊聯(lián)合上海光源、英國倫敦大學學院、英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實驗室成功通過選區(qū)激光熔化技術制備出含不同TiB2顆粒的2024鋁基復合材料，通過試驗表征不同含量TiB2顆粒引入后，打印態(tài)構件晶粒組織由單一的粗大柱狀晶演變?yōu)榧毿〉牡容S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系式。相關工作以題為“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、英國皇家工程院院士Peter D. Lee和倫敦大學學院Chu Lun Alex Leung教授。論文得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市揚帆計劃、安徽省淮北市重大科技專項、歐盟瑪麗居里學者項目的支持。

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)材料內部孔洞分布，（g）孔洞尺寸分布圖，（h）打印態(tài)樣品致密度測試結果，（i）不同顆粒含量粉末激光反射率測試結果

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強度

圖3. （a-c）試驗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顆粒含量擬合關系圖

孫騰騰等采用選區(qū)激光熔化技術成功制備含不同原位自生納米TiB2顆粒含量的2024Al基復合材料，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，經顆粒修飾后，形成柱狀-等軸雙晶區(qū)的細小晶粒組織，其等軸晶約占75%，復合材料平均晶粒尺寸隨TiB2含量增加而逐漸減小。同時，復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，可有效阻礙變形過程中的位錯移動，提高構件力學性能。試驗所得等軸晶晶粒尺寸與顆粒含量的立方根經擬合呈線性關系，所得關系式如下：

此研究首次對增材制造顆粒引入型2024高強鋁合金顆粒含量與微觀組織結構進行分析，通過調整TiB2顆粒含量，調控打印態(tài)復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鋁合金的微觀組織調控及顆粒的晶粒細化效率提供了理論依據(jù)和實現(xiàn)途徑。