法国国立高等工艺学院：激光粉末床熔融增材制造高性能准晶增强铝基复合材料

来源：增材制造硕博联盟

目前关于激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形高性能Al基复合材料的主要方法是在铝基体中加入硬质陶瓷颗粒，但大部分陶瓷颗粒的热性能，力学性能等与铝基体差异较大，冶金结合不良，可能导致成形零件在复杂载荷条件下过早失效，例如动载疲劳，热疲劳等。金属增强体，如金属间化合物、金属玻璃和准晶(QCs)，由于其与金属基体相协调的优异性能而受到越来越多的关注。

准晶具有高硬度、低摩擦系数和高抗腐蚀/磨损性。在众多准晶合金中，Al-Fe-Cr系准晶合金的成本低，准晶可成形性好。因此本文以LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料为研究对象，重点研究了LPBF制备过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化规律和强化机制，以期为获得LPBF成形高性能Al合金提供理论依据和设计支持。

研究内容
采用LPBF工艺制备Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料的最佳能量密度范围为150~250 J/mm3。在最优工艺参数下，LPBF成形的Al-Fe-Cr合金具有快速凝固诱导产生的多级异构组织复合结构。成形试样的致密度高，可达99.8%±0.08%，且无明显的缺陷。从宏观上看，该合金由沿熔池边界外延生长的柱状晶构成，熔池边界准晶富集，熔池内部准晶贫瘠。从单一熔池的角度来看，SLM成形的样品呈现出明显复合结构：熔池内部的激光熔合区（LFZ）；熔池边界（MPB）和热影响区（HAZ）。在LFZ观察到大小为100至300 nm球形Al-Fe-Cr准晶颗粒，这些细小的准晶颗粒被包围在Al基体构成的尺寸细小的胞状结构内。粗大的花瓣状/球形准晶颗粒和矩形的θ-Al13(Fe, Cr)2-4颗粒分布在MPB。此外，HAZ呈现出弥散分布在α-Al基体中的尺寸细小的球形、矩形或无定形颗粒的微观组织。这种异质结构的形成可以归因于LPBF加工过程中单个熔池内的温度梯度和凝固速度的差异。

图1 LPBF成形试样的熔池形貌与非均匀分布组织。

图2 LPBF成形试样的熔池不同区域的相分析

图3 （a）LPBF成形Al-Fe-Cr合金制备过程示意图与计算凝固曲线（b）单个熔池的典型组织形貌示意图和（c-e）SLM快速凝固过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化示意图

LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料表现出较高的抗拉强度。沉积态成形样品的静态力学性能分析结果显示：该合金的抗拉强度为530.80 ± 3.19 MPa，屈服强度为395.06 ± 6.44 MPa，试样的延伸率为4.16% ± 0.38%。LPBF工艺成形Al-Fe-Cr合金的宏微观组织特征与拉伸力学行为间关系的研究结果表明：由于成形试样中二十面体纳米准晶颗粒带来的Orowan强化以及成形试样内部位错强化的共同贡献，该合金表现出较高的抗拉强度和屈服强度。由样品的断口分析结果可知，其断裂失效行为是韧-脆混合断裂机制。

图 4 LPBF成形试样的应力-应变曲线，性能对比与断口分析

总结
本文以LPBF成形准晶增强Al-Fe-Cr 合金为研究对象，对该合金的组织特征和力学性能进行了表征。明晰了异构组织的构成，并深入讨论了纳米准晶颗粒的相变与基体之间的位相关系，厘清了LPBF成形Al-Fe-Cr合金的组织演化机制，研究了成形试样的拉伸性能，揭示了准晶颗粒对其力学性能的强化机制，为后续开发适用于LPBF技术的高性能铝合金提供了新视角。

作者简介

康楠，长聘副教授，博导，巴黎高科国立高等工艺与技术学院（Arts et Metiers Paristech），MSMP实验室增材制造方向负责人。博士毕业于法国贝尔福蒙贝利亚技术大学（2016）。主持国自然，航发产学研和Grand-Est智能联创平台、CEFIPRA 等国内外科研项目。以第一/通讯作者在Addit. Manuf., Composite Part B., JMST，Scripta等期刊发表SCI论文70余篇，ESI高被引4篇，IF>10论文14篇。申请国家发明，PCT，法国，美国等专利十余项。《Advanced Powder Materials》 《MRL》 《JMST》《Frontiers》系列等期刊编委/编辑，5th ICAM-BM (Young Investigator award) ，MRL（special contribution award)。

近年来，负责多项产业化项目，研发具有完全自主知识产权耐高温高强韧铝合金，解决了铝合金在高温力学性能急剧下降的行业难题，相关指标已处于国际先进水平，实现了大尺寸零构件的直接制造。提出了Al-Mg-Sc-Zr 高强铝合金的新型3D打印技术，将产品的综合性能以及工艺稳定性达到行业领先位置，显著地解决了该材料行业内良品率低的顽疾，该技术生产的产品已实现批量化制造与交付。团队依托法国东部大区智能联创平台，拥有金属增材制造设备3台，非金属3d打印设备3台，4d/5d X射线形貌分析，1500吨产业压力铸造等装备和表征手段。

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