法國國立高等工藝學(xué)院：激光粉末床熔融增材制造高性能準(zhǔn)晶增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

目前關(guān)于激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術(shù)成形高性能Al基復(fù)合材料的主要方法是在鋁基體中加入硬質(zhì)陶瓷顆粒，但大部分陶瓷顆粒的熱性能，力學(xué)性能等與鋁基體差異較大，冶金結(jié)合不良，可能導(dǎo)致成形零件在復(fù)雜載荷條件下過早失效，例如動(dòng)載疲勞，熱疲勞等。金屬增強(qiáng)體，如金屬間化合物、金屬玻璃和準(zhǔn)晶(QCs)，由于其與金屬基體相協(xié)調(diào)的優(yōu)異性能而受到越來越多的關(guān)注。

準(zhǔn)晶具有高硬度、低摩擦系數(shù)和高抗腐蝕/磨損性。在眾多準(zhǔn)晶合金中，Al-Fe-Cr系準(zhǔn)晶合金的成本低，準(zhǔn)晶可成形性好。因此本文以LPBF成形Al-Fe-Cr準(zhǔn)晶增強(qiáng)Al基復(fù)合材料為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了LPBF制備過程中Al-Fe-Cr合金的組織演化規(guī)律和強(qiáng)化機(jī)制，以期為獲得LPBF成形高性能Al合金提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)支持。

研究內(nèi)容
采用LPBF工藝制備Al-Fe-Cr準(zhǔn)晶增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的最佳能量密度范圍為150~250 J/mm3。在最優(yōu)工藝參數(shù)下，LPBF成形的Al-Fe-Cr合金具有快速凝固誘導(dǎo)產(chǎn)生的多級(jí)異構(gòu)組織復(fù)合結(jié)構(gòu)。成形試樣的致密度高，可達(dá)99.8%±0.08%，且無明顯的缺陷。從宏觀上看，該合金由沿熔池邊界外延生長的柱狀晶構(gòu)成，熔池邊界準(zhǔn)晶富集，熔池內(nèi)部準(zhǔn)晶貧瘠。從單一熔池的角度來看，SLM成形的樣品呈現(xiàn)出明顯復(fù)合結(jié)構(gòu)：熔池內(nèi)部的激光熔合區(qū)（LFZ）；熔池邊界（MPB）和熱影響區(qū)（HAZ）。在LFZ觀察到大小為100至300 nm球形Al-Fe-Cr準(zhǔn)晶顆粒，這些細(xì)小的準(zhǔn)晶顆粒被包圍在Al基體構(gòu)成的尺寸細(xì)小的胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。粗大的花瓣?duì)?球形準(zhǔn)晶顆粒和矩形的θ-Al13(Fe, Cr)2-4顆粒分布在MPB。此外，HAZ呈現(xiàn)出彌散分布在α-Al基體中的尺寸細(xì)小的球形、矩形或無定形顆粒的微觀組織。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成可以歸因于LPBF加工過程中單個(gè)熔池內(nèi)的溫度梯度和凝固速度的差異。

圖1 LPBF成形試樣的熔池形貌與非均勻分布組織。

圖2 LPBF成形試樣的熔池不同區(qū)域的相分析

圖3 （a）LPBF成形Al-Fe-Cr合金制備過程示意圖與計(jì)算凝固曲線（b）單個(gè)熔池的典型組織形貌示意圖和（c-e）SLM快速凝固過程中Al-Fe-Cr合金的組織演化示意圖

LPBF成形Al-Fe-Cr準(zhǔn)晶增強(qiáng)Al基復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度。沉積態(tài)成形樣品的靜態(tài)力學(xué)性能分析結(jié)果顯示：該合金的抗拉強(qiáng)度為530.80 ± 3.19 MPa，屈服強(qiáng)度為395.06 ± 6.44 MPa，試樣的延伸率為4.16% ± 0.38%。LPBF工藝成形Al-Fe-Cr合金的宏微觀組織特征與拉伸力學(xué)行為間關(guān)系的研究結(jié)果表明：由于成形試樣中二十面體納米準(zhǔn)晶顆粒帶來的Orowan強(qiáng)化以及成形試樣內(nèi)部位錯(cuò)強(qiáng)化的共同貢獻(xiàn)，該合金表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。由樣品的斷口分析結(jié)果可知，其斷裂失效行為是韌-脆混合斷裂機(jī)制。

圖 4 LPBF成形試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，性能對(duì)比與斷口分析

總結(jié)
本文以LPBF成形準(zhǔn)晶增強(qiáng)Al-Fe-Cr 合金為研究對(duì)象，對(duì)該合金的組織特征和力學(xué)性能進(jìn)行了表征。明晰了異構(gòu)組織的構(gòu)成，并深入討論了納米準(zhǔn)晶顆粒的相變與基體之間的位相關(guān)系，厘清了LPBF成形Al-Fe-Cr合金的組織演化機(jī)制，研究了成形試樣的拉伸性能，揭示了準(zhǔn)晶顆粒對(duì)其力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)制，為后續(xù)開發(fā)適用于LPBF技術(shù)的高性能鋁合金提供了新視角。

作者簡介

康楠，長聘副教授，博導(dǎo)，巴黎高科國立高等工藝與技術(shù)學(xué)院（Arts et Metiers Paristech），MSMP實(shí)驗(yàn)室增材制造方向負(fù)責(zé)人。博士畢業(yè)于法國貝爾福蒙貝利亞技術(shù)大學(xué)（2016）。主持國自然，航發(fā)產(chǎn)學(xué)研和Grand-Est智能聯(lián)創(chuàng)平臺(tái)、CEFIPRA 等國內(nèi)外科研項(xiàng)目。以第一/通訊作者在Addit. Manuf., Composite Part B., JMST，Scripta等期刊發(fā)表SCI論文70余篇，ESI高被引4篇，IF>10論文14篇。申請(qǐng)國家發(fā)明，PCT，法國，美國等專利十余項(xiàng)?！禔dvanced Powder Materials》 《MRL》 《JMST》《Frontiers》系列等期刊編委/編輯，5th ICAM-BM (Young Investigator award) ，MRL（special contribution award)。

近年來，負(fù)責(zé)多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)耐高溫高強(qiáng)韌鋁合金，解決了鋁合金在高溫力學(xué)性能急劇下降的行業(yè)難題，相關(guān)指標(biāo)已處于國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了大尺寸零構(gòu)件的直接制造。提出了Al-Mg-Sc-Zr 高強(qiáng)鋁合金的新型3D打印技術(shù)，將產(chǎn)品的綜合性能以及工藝穩(wěn)定性達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先位置，顯著地解決了該材料行業(yè)內(nèi)良品率低的頑疾，該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量化制造與交付。團(tuán)隊(duì)依托法國東部大區(qū)智能聯(lián)創(chuàng)平臺(tái)，擁有金屬增材制造設(shè)備3臺(tái)，非金屬3d打印設(shè)備3臺(tái)，4d/5d X射線形貌分析，1500噸產(chǎn)業(yè)壓力鑄造等裝備和表征手段。

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