原位表面改性的增材制造纳米WC/AlSi10Mg 合金增强机制

来源：中国有色金属学报

随着新能源汽车、航空航天、高端装备等战略新兴产业朝轻量化、智能化方向快速发展，对轻量化结构件的“材料-结构-性能一体化”要求越来越高，使用激光选区熔化（SLM）增材制造技术制造高性能铝基结构件已成为当前研究热点。现有研究多采用添加纳米陶瓷颗粒作为铝合金基体增强相，提升SLM成形铝基复合材料的综合性能。众所周知，纳米WC颗粒具有优异耐磨和力学性能，常作为铁基、镍基、钴基和铝基复合材料的增强相。本文选择纳米WC颗粒作为增强相，添加到AlSi10Mg基体中，通过选择性激光熔化增材制造技术（SLM）制备高性能的铝基纳米复合材料。为克服纳米WC颗粒之间因范德华力而产生的自团聚问题，采用静电自组装工艺制备纳米WC复合AlSi10Mg铝合金粉末，在最优SLM成形工艺下3D打印所需试样，系统研究纳米WC添加对AlSi10Mg铝合金基体晶粒形貌、析出相分布、相组成、力学和摩擦磨损性能的影响，明确其形核机理及铝基体微观组织演变和性能调控机制。

文章亮点
证实了SLM 制备的纳米WC/AlSi10Mg 材料中形成多种Al−W 金属间化合物相，通过(002)α(Al)//(104)Al5W 的取向关系，确认具有4.7%的低晶格失配度的Al/Al5W 可形成良好共格界面，纳米WC 颗粒和Al−W 相可促使柱状晶转变为等轴晶，获得精细的等轴晶组织。

图1 SLM成形纳米WC/AlSi10Mg试样中纳米颗粒相HRTEM、EDS和SAED分析(a) Al5W 相; (b) Al12W 相; (c) Al4W 相

图1所示为添加1 wt.%纳米WC试样中观察的粒状颗粒形貌、EDS元素分析、界面及电子衍射斑点图，结果表明该颗粒为Al5W相。对其界面高分辨照片中界面两侧的晶面间距进行计算，表明α-Al 和Al5W之间具有匹配良好的共格界面，界面晶体学关系为图片和(002)α(Al)//(104)Al5W。纳米颗粒点I的C元素含量比较高，表明Al5W主要是围绕分解的纳米WC颗粒周边形成和长大。需要特别注意的是电子衍射斑点图中还出现了明显衍射环，对应于 (012)Al5W 和 (022)Al5W相，进一步证实基体组织中生成了大量细小纳米Al5W颗粒。为确认Al5W与α-Al的共格界面，采用方程式（1）计算了α-Al（立方，Fm-3m空间群）与Al5W（六方，P63空间群）晶格匹配度。此外，在图1 (a)和(b)的SAED衍射斑点中，均有检测到α-Al的衍射斑点。

同时采用第一性原理计算了Al/Al5W界面的不同参数和晶体结构，如图2所示。模拟和计算结果都表明两者之间能形成稳定的共格界面，通过方程式（1）计算 (002)α-Al 和 (104)Al5W晶格匹配度为4.7%，小于形成共格界面所需最低错配度5%的要求。这些模拟计算结果也进一步证实了图1 (a)高分辨HRTEM中观察到的良好共格界面。如图1 (c)所示，通过EDS元素和电子衍射斑点结果分析，证实了添加5 wt.%纳米WC成形试样中观察到的多边形纳米颗粒 Ⅲ为纳米Al4W相。与Al/Al5W的共格界面不同，Al/Al4W之间为半共格界面，通过计算高分辨HRTEM中界面两侧的晶面间距，证实界面两侧的晶面分别为(110)Al4W and (111)α-Al。这种半共格界面有可能是位错形成原因。此外，通过分析不同纳米颗粒的电子衍射斑点，在添加1 wt.%纳米WC的成形试样中，还检测到在XRD检测中没有出现的Al12W相，其形成也在类似文献中有报道，形成的可能反应式如式（2）所示：

式中， δ 是晶格匹配度, α 是不同相的晶格常数。

图2 (002)α-Al/(104)Al5W 界面模拟计算图

上述反应方程式（2）表明，Al12W相是随着凝固过程中纳米Al5W的进一步分解而产生，因此在添加不同纳米WC的SLM成形试样中仅有少量纳米Al12W生成。同时，如图2中所示，纳米颗粒 Ⅱ的Al和C元素含量非常高，而W元素含量为零，推测这一纳米颗粒有可能为Al4C3相，然而因为含量过少，在XRD中无明显衍射峰出现。
总结来看，在SLM成形激光熔池的高温作用下，添加的纳米WC颗粒部分溶解于α-Al基体，并与铝合金基体的主要元素反应生成一系列Al-W金属间化合物。随着激光选区熔化的熔池开始凝固，高熔点纳米WC和Al-W化合物颗粒倾向于形成。计算表明(104)Al5W相和(002)α-Al相之间的晶格失配为4.7%，根据Turnbull和Vonnegut的研究结果，临界形核过冷度（ΔTn）与晶格失配度（δ）的变化呈正相关，符合方程式（3），其中CE是弹性系数，ΔSv是单位体积相变熵：

因此，基于Al5W相与α-Al基体之间良好的共格界面，可以促进柱状晶转变为等轴晶组织，抑制晶粒的生长。另外也可以作为异质形核剂促进Mg2Si相析出。

研究结论
采用静电自组装工艺分别制备了不同含量WC的AlSi10Mg复合粉末，在最优SLM成形工艺条件下，制备得到1 wt.%、3 wt.%和5 wt.%纳米WC/AlSi10Mg成形试样。系统研究了纳米WC添加量对显微组织演变及性能影响规律，优化纳米WC对铝合金基体的合适添加量。初步探索了纳米WC颗粒在铝基体中的界面微结构、显微组织调控及性能强化机理。通过晶格参数计算Al5W与α-Al的晶格匹配度为4.7%，Al5W/Al界面微结构表征也证实了Al5W/Al间具有良好共格界面，其界面晶体学关系为图片和 (002)α-Al//(104)Al5W。基于Al5W与α-Al的共格界面及其他纳米Al-W中间相的强化作用，显著提升了SLM成形AlSi10Mg试样的力学和摩擦磨损性能。

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.

研究团队

刘敏
教授级高级工程师，博士生导师

现任广东省科学院副院长，现代材料表面工程技术国家工程实验室主任，中国材料研究学会常务理事，中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国腐蚀学会高温腐蚀与防护专业委员会分会副主任。先后主持和参加973、863、国际合作、军工配套等项目40多项，研究成果已经广泛应用于航空、钢铁、包装印刷和能源等国民经济部门。入选“新世纪国家百千万人才工程”，享受国务院政府特殊津贴。获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖7项、省部级二等奖5项。发表论文200多篇、授权专利50多件。研究方向主要有表面工程技术和增材制造技术。
        
闫星辰
博士，副研究员

一直从事金属激光制造技术研究，入选 2022 年斯坦福全球前 2%科学家、中国科协“青年人才托举工程”、广东省科学院“百人计划”C类人才等，获得中国有色金属工业科技进步二等奖 1 项，目前担任中国表面工程协会委员、广东省机械工程学会增材制造分会理事长、广东省增材制造协会副理事长、广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副秘书长和广东省重点领域研发计划项目及自然科学基金评审专家等。在生物医用金属增材制造仿生多孔结构设计原理、控形控性新方法及机理、生物医疗创新应用等方面取得了系列创新成果，相关成果在 Additive Manufacturing、Materials Research Letters等国内外权威期刊发表学术论文 80 余篇，总引 2300 余次，H 指数 27，并编写著作 2 部，论著证明材料见附件3。累计申请国家专利 34 件及 PCT 和美国发明专利各 1 件，其中第一发明人授权国家发明专利 7 件。

论文链接：http://www.ysxbcn.com/paper/paperview.aspx?id=paper_1051214