双峰尺寸TiB2颗粒协同调控Al-Mg合金晶粒细化与β相分布的定向能量沉积研究

针对Al-Mg合金增材制造中晶粒粗化与β相(Al3Mg2)沿晶界连续分布导致的力学性能劣化问题，研究人员通过冷金属过渡(CMT)工艺制备双峰尺寸TiB2/Al-Mg复合材料，发现纳米/微米TiB2协同作用可促进非平衡凝固过程中的异质形核并抑制晶粒生长，使合金硬度达80 HV、抗拉强度284.4 MPa且延伸率保持23%，为海洋装备轻量化设计提供新策略。

　　

在海洋工程和交通运输领域，5xxx系列Al-Mg合金因其优异的比强度和耐腐蚀性成为关键材料。然而传统铸造锻造工艺生产周期长、材料利用率低，而新兴的线弧定向能量沉积(WA-DED)技术虽能实现复杂构件快速成型，却面临非平衡凝固导致的晶粒粗化、β相(Al₃Mg₂)沿晶界连续分布等挑战——这不仅降低力学性能，更会引发晶间腐蚀(IGC)和应力腐蚀开裂(IGSCC)。中国国家自然科学基金资助的研究团队创新性地采用双峰尺寸TiB₂颗粒调控策略，通过冷金属过渡(CMT)工艺制备出兼具高强度与高塑性的复合材料，相关成果发表于《Materials Science and Engineering: A》。

研究团队运用WA-DED系统集成ABB机器人焊接平台，在纯氩气氛下制备含不同比例纳米/微米TiB₂的5356铝合金试样。通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析微观组织演变，结合电子背散射衍射(EBSD)和选区电子衍射(SAED)表征晶体学特征，并开展硬度测试与拉伸实验验证力学性能。

【Grain morphology】部分揭示：未添加TiB₂的样品呈现典型的定向生长柱状晶（平均宽度120μm），而含1.5wt%纳米+0.5wt%微米TiB₂的样品获得均匀等轴晶（尺寸~25μm），晶粒细化率达79%。【the refinement mechanism of bimodal-sized TiB₂ particles】通过TEM证实：微米TiB₂作为异质形核核心促进α-Al形核，纳米颗粒则通过钉扎晶界抑制晶粒生长，同时诱导形成100-500nm的纳米胞结构。

更关键的发现在于β相调控机制：传统样品中β相沿晶界连续分布（覆盖率>80%），而双峰尺寸TiB₂样品中β相呈离散分布（覆盖率<35%）。这归因于：1) 细晶界与纳米胞结构提供更多Mg扩散通道；2) 高密度位错改变溶质扩散路径；3) 纳米TiB₂/基体界面吸附Mg原子形成局部贫化区。最终材料获得80HV硬度（较锻造基体提升33%）、284.4MPa抗拉强度且延伸率保持23%，突破了强度-塑性倒置关系。

该研究首次阐明双峰尺寸陶瓷颗粒在WA-DED过程中的协同作用机制：微米颗粒主导形核、纳米颗粒控制生长，二者共同实现"形核-生长"双路径调控。所开发的非热处理强化策略为海洋装备大型构件的性能定制提供新思路，同时为理解非平衡凝固下第二相析出动力学建立理论框架。后续研究可进一步探索TiB₂尺寸梯度分布对多层构件性能的调控规律。