上海交大《MRL》：TiB2颗粒改善2024铝合金可打印性的作用

来源：材料科学与工程

增材制造技术具有结构设计灵活性高、材料利用高的特点，为复杂构件近净成形提供机遇。目前能应用于增材制造的铝合金主要为Al-Si和Al-Si-Mg体系铸造铝合金。以2024Al（Al-Cu-Mg）合金为代表的锻造系高强铝合金，作为结构件广泛应用于航空航天领域。然而2024Al合金具有较高的热裂敏感性，凝固过程易出现热裂纹而难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纳米颗粒解决难打印高强铝合金成形问题，建立颗粒含量与晶粒结构及尺寸之间的关系，获得可与锻态2024Al合金力学性能相当的打印态材料。

异质颗粒的引入可有效提高2024Al合金的打印成形性，细化晶粒尺寸，增强构件力学性能，然而TiB2颗粒的引入对于晶粒组织的影响及晶粒细化水平尚不清楚，目前需要建立颗粒含量与晶粒尺寸之间的关系式，明确颗粒含量与微观组织的定量化关系。上海交通大学王浩伟教授团队联合上海光源、英国伦敦大学学院、英国卢瑟福·阿普尔顿实验室成功通过选区激光熔化技术制备出含不同TiB2颗粒的2024铝基复合材料，通过试验表征不同含量TiB2颗粒引入后，打印态构件晶粒组织由单一的粗大柱状晶演变为细小的等轴晶-柱状晶双晶区晶粒组织，提出了颗粒含量与等轴晶晶粒尺寸之间的定量化关系式。相关工作以题为“The role of in-situ nano-TiB2 particles in improving the printability of noncastable 2024Al alloy”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为博士研究生孙腾腾，王洪泽副教授、吴一高级工程师与汪明亮副研究员为共同通讯作者，论文其他作者包括上海交大王浩伟讲席教授、博士研究生高振洋、博士研究生金鑫源、上海光源付亚楠研究员、英国皇家工程院院士Peter D. Lee和伦敦大学学院Chu Lun Alex Leung教授。论文得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市扬帆计划、安徽省淮北市重大科技专项、欧盟玛丽居里学者项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2080514

图1. （a-f）不同TiB2颗粒含量下打印态材料内部孔洞分布，（g）孔洞尺寸分布图，（h）打印态样品致密度测试结果，（i）不同颗粒含量粉末激光反射率测试结果

图2. （a-f）不同TiB2颗粒含量下打印态材料微观组织；（g-l）含不同TiB2颗粒打印态材料晶界分布及织构强度

图3. （a-c）试验所得不同颗粒含量打印态材料晶粒尺寸；（d）晶粒尺寸与TiB2颗粒含量拟合关系图

孙腾腾等采用选区激光熔化技术成功制备含不同原位自生纳米TiB2颗粒含量的2024Al基复合材料，研究表明，纯合金打印态微观组织主要为平均晶粒尺寸~38.8 μm的柱状晶，经颗粒修饰后，形成柱状-等轴双晶区的细小晶粒组织，其等轴晶约占75%，复合材料平均晶粒尺寸随TiB2含量增加而逐渐减小。同时，复合材料中大角晶界的百分含量相比合金以及传统制造方式所得材料大幅提高，可有效阻碍变形过程中的位错移动，提高构件力学性能。试验所得等轴晶晶粒尺寸与颗粒含量的立方根经拟合呈线性关系，所得关系式如下：

此研究首次对增材制造颗粒引入型2024高强铝合金颗粒含量与微观组织结构进行分析，通过调整TiB2颗粒含量，调控打印态复合材料微观组织及晶粒尺寸，上述成果为增材制造打印成形颗粒引入型高强铝合金的微观组织调控及颗粒的晶粒细化效率提供了理论依据和实现途径。