综述：利用定向能量沉积技术在增材制造的灰铸铁中加入IN718中间层，以提高其冲击韧性

《Materials Science and Engineering: A》：Enhancement of Impact Toughness by IN718 Intermediate Layer in Additively Manufactured Gray Cast Iron Using Directed Energy Deposition

AlSi10Mg合金通过Cu-Ni元素添加和热处理形成微米级CuNi相与纳米级θ'析出相协同强化，显著提升室温（307 MPa）和高温（198 MPa）屈服强度，并揭示界面脱粘主导的高温断裂机制。

　　这项研究聚焦于通过直接能量沉积（DED）技术制备的AlSi10Mg及其铜镍改性合金（Al-9.8Si-0.32Mg-5Cu-1Ni，按重量百分比计）的微观结构、机械性能和断裂机制。作为工业领域广泛应用的铝合金，AlSi10Mg以其优异的耐腐蚀性和高比强度而著称，尤其适用于3D打印等增材制造技术。然而，该合金在高温（如300°C）下的屈服强度（YS）仍然不足，限制了其在高温环境下的应用潜力。为了克服这一问题，研究者引入了铜和镍元素，以期通过形成稳定的强化相来提升合金的高温性能。实验结果表明，经过改性处理后，合金的屈服强度在25°C时达到307 MPa，在300°C时仍能保持198 MPa，分别比原始AlSi10Mg合金提升了168.7%和217.6%。这些显著的性能提升归因于两种强化机制的协同作用：微米尺度的铜镍富集相和纳米尺度的θ'析出相。

### 1. 增材制造与铝合金的性能需求

随着工业对高性能材料需求的不断增长，增材制造技术因其加工灵活性和短周期优势，在航空航天、汽车制造等领域展现出广阔的应用前景。其中，直接能量沉积（DED）作为一种重要的增材制造工艺，以其高材料利用率、高生产效率和对大型部件的加工能力，被认为是实现复杂结构件制造的理想选择。然而，尽管DED技术在制造铝合金方面具有诸多优势，现有的AlSi10Mg合金在高温条件下的性能仍存在明显短板。具体而言，该合金在300°C时的屈服强度通常约为150 MPa，远低于实际工程应用中所需的承载能力。这意味着在高温环境下，材料可能会发生不可逆的塑性变形，从而影响其使用寿命和结构完整性。

为了提升铝合金的高温性能，研究者引入了铜和镍元素作为强化成分。铜在铝合金中常用于通过析出强化和固溶强化来提升材料的强度，而镍则被认为对提高高温性能具有重要作用。通过在AlSi10Mg合金中加入铜和镍，研究团队成功地在材料中引入了热稳定性较高的微米尺度铜镍富集相，并通过后续的固溶和时效处理，形成了大量均匀分布的θ'纳米析出相。这些析出相的存在显著提升了合金的机械性能，尤其是在高温条件下的承载能力。

### 2. 材料改性与微观结构的优化

在本研究中，改性后的合金（MA）与原始合金（UA）在微观结构上表现出显著差异。通过高能球磨技术制备的预合金粉末，其中包含了AlSi10Mg、纯铜和纯镍。这种混合方式确保了合金成分的均匀分布，并有效避免了粉末在加工过程中的氧化问题。实验发现，MA合金中的铜镍富集相在热处理过程中形成了稳定的框架结构，围绕着晶粒分布，对晶粒的生长起到了抑制作用。因此，MA合金的晶粒尺寸明显小于UA合金，从而提高了其整体的强度和热稳定性。

此外，MA合金在固溶和时效处理后，形成了大量均匀分布的θ'纳米析出相。这些析出相在高温下仍能保持其结构完整性，有效阻碍位错的运动，进而提升材料的强度。与UA合金相比，MA合金的θ'析出相数量和尺寸均得到了显著改善，从而实现了更高效的析出强化。这种两阶段强化机制——即微米尺度的铜镍富集相与纳米尺度的θ'析出相——使得MA合金在常温下的屈服强度提升了约125 MPa，高温下的屈服强度则提升了约217.6%。

### 3. 机械性能的提升与断裂行为的分析

在常温下，MA合金表现出显著优于UA合金的机械性能。通过电子万能试验机进行的拉伸测试显示，MA合金在热处理后的屈服强度达到307 MPa，极限抗拉强度为354 MPa，而UA合金在热处理后的屈服强度仅为182 MPa，极限抗拉强度为235 MPa。这种性能的提升主要得益于θ'纳米析出相的形成。这些析出相在合金基体中均匀分布，能够有效阻碍位错的滑移，从而提升材料的强度。

然而，MA合金的塑性相较于UA合金有所下降。这是因为铜镍富集相本身具有较高的脆性，导致材料在承受拉伸载荷时容易在这些脆性相的位置产生微裂纹。因此，尽管MA合金的强度得到了显著提升，其延展性却有所降低。在室温下，MA-HT样品的断裂模式表现出混合的脆性-韧性断裂特征，即在断裂表面可以看到细小的缩孔以及由脆性相（如铜镍富集相和共晶硅相）形成的光滑平台。这些特征表明，MA-HT样品在拉伸过程中经历了复杂的断裂机制，既有塑性变形也有脆性断裂。

在高温条件下，MA-HT样品的断裂模式则表现出明显的差异。与室温下的混合断裂模式不同，高温下的断裂主要表现为界面脱粘现象。这是因为高温下铝基体的软化导致其与脆性相之间的结合力下降，从而在拉伸过程中更容易发生界面失效。尽管如此，MA-HT样品在300°C时的屈服强度仍达到了198 MPa，远高于UA-HT样品的150 MPa。这种高温性能的提升主要归功于铜镍富集相的热稳定性，以及θ'析出相在高温下仍然保持的位错阻碍能力。

### 4. 强化机制与材料行为的协同作用

本研究揭示了铜镍改性对AlSi10Mg合金性能的显著影响。通过引入铜和镍元素，合金不仅在常温下表现出更高的强度，还在高温环境下保持了较好的性能。这种两阶段强化机制的协同作用使得MA合金在高温下的承载能力得到了有效提升。具体而言，微米尺度的铜镍富集相通过形成硬框架，限制了铝基体在高温下的变形，而纳米尺度的θ'析出相则通过阻碍位错运动，进一步增强了材料的强度。

值得注意的是，铜镍富集相的引入对合金的晶粒结构产生了积极影响。在热处理过程中，这些富集相能够有效地抑制晶界迁移，从而防止晶粒的粗化。这种晶粒细化不仅提升了材料的强度，还改善了其高温下的热稳定性。相比之下，UA合金在热处理后晶粒粗化较为明显，导致其在高温下的性能下降。

此外，θ'析出相的形成过程也对合金的性能产生了重要影响。在热处理过程中，这些析出相的数量和尺寸显著增加，从而在基体中形成更多的位错障碍点。这种析出强化机制在高温下仍然有效，因为θ'析出相具有较高的热稳定性，能够在高温下保持其结构完整性。相比之下，传统的析出相（如β'和Q'）在高温下容易发生粗化甚至溶解，导致材料强度的下降。

### 5. 应用前景与研究意义

本研究的成果为高性能铝合金的开发提供了重要的理论依据和实践参考。通过铜镍改性，AlSi10Mg合金在高温下的承载能力得到了显著提升，这使其在高温环境下的应用潜力大大增强。例如，在航空航天、汽车制造等高温作业环境中，这种合金可能成为一种更具竞争力的材料选择。

同时，该研究也为增材制造技术的进一步发展提供了新的思路。传统的铝合金在高温下的性能不足，限制了其在高温应用中的使用。而通过合理的合金设计和热处理工艺，可以有效提升材料的高温性能，从而拓展其应用范围。此外，本研究还强调了微观结构对材料性能的决定性作用，指出通过优化析出相的类型和分布，可以实现更高效的强化效果。

### 6. 结论与展望

综上所述，本研究通过铜镍改性成功提升了AlSi10Mg合金的高温屈服强度。改性后的合金不仅在常温下表现出更高的强度，还在300°C时仍能保持良好的承载能力。这种两阶段强化机制为高性能铝合金的开发提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索不同元素组合对合金性能的影响，以及如何通过优化热处理工艺来实现更高效的析出强化。此外，还可以考虑在其他类型的铝合金中引入类似的强化机制，以提升其在不同温度条件下的综合性能。

总之，本研究不仅揭示了铜镍改性对AlSi10Mg合金性能的显著提升，还为高温环境下材料的强化机制提供了新的见解。这些成果对于推动高性能铝合金在工业领域的应用具有重要意义。