分级结构MgAl2 O4 /Al3 Ti形核剂诱导激光粉末床熔融铝合金全等轴晶形成机制研究

针对激光粉末床熔融(LPBF)铝合金中粗大柱状晶导致的各向异性和开裂问题，研究人员通过镁钛协同效应构建自组装MgAl2 O4 /Al3 Ti分级结构形核剂，利用原位MgAl2 O4 纳米颗粒与Al3 Ti相的0.05%晶格失配度实现全等轴晶调控。该研究为LPBF铝合金微观结构设计提供了新策略，成果发表于《Scripta Materialia》。

　　

在航空航天和汽车工业领域，高强铝合金的激光粉末床熔融(LPBF)技术因其卓越的设计自由度备受瞩目。然而，这项技术的快速凝固特性却给材料带来了一道"成长的烦恼"——粗大的柱状晶组织如同整齐排列的栅栏，不仅导致力学性能的各向异性，还会引发恼人的热裂纹。这种微观结构的"方向性强迫症"严重制约了LPBF铝合金在关键承力部件中的应用。

面对这一挑战，西北工业大学的研究团队独辟蹊径，从铝合金中镁钛元素的协同效应入手，成功构建了自组装的MgAl₂
O₄
/Al₃
Ti分级结构形核剂。这种"纳米建筑师"团队中，MgAl₂
O₄
纳米颗粒以其与L1₂
结构Al₃
Ti相惊人的晶格匹配度（失配率仅0.05%），为铝合金熔体提供了理想的形核模板。就像精确设计的乐高积木，这些纳米级结构引导熔体原子有序排列，最终在LPBF铝合金中实现了全等轴晶组织的突破。该研究成果发表在材料科学权威期刊《Scripta Materialia》上。

研究团队主要采用三项关键技术：通过激光粉末床熔融(LPBF)工艺制备含镁钛的铝合金试样；利用像差校正透射电镜(AC-TEM)在原子尺度表征MgAl₂
O₄
/Al₃
Ti界面结构；结合电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向分布。

【研究结果】

1. 分级形核剂设计：镁钛元素在LPBF过程中自发形成MgAl₂
   O₄
   纳米颗粒与Al₃
   Ti相的层级结构，前者为后者提供低能形核界面。
2. 界面相干性验证：AC-TEM显示MgAl₂
   O₄
   (111)面与Al₃
   Ti(001)面存在原子级匹配，证实其作为形核基底的可行性。
3. 晶粒结构调控：EBSD分析表明，含形核剂样品中随机取向的等轴晶占比达100%，而对照组为典型柱状晶。

这项研究不仅揭示了MgAl₂
O₄
/Al₃
Ti分级结构的形核机制，更重要的是为LPBF铝合金的微观结构设计提供了普适性策略。通过精准调控形核剂与基体的界面特性，研究者成功"驯服"了LPBF的快速凝固过程，使材料摆脱了柱状晶的束缚。这种全等轴晶组织有望显著提升铝合金构件的力学均匀性和抗裂性能，为航空航天领域复杂部件的增材制造开辟了新途径。研究获得的界面相干性设计原则，还可拓展应用于其他金属增材制造体系的晶粒结构调控。