关于TiC纳米颗粒增强铝合金增材制造过程中孔隙率抑制机制的新见解

《Scripta Materialia》：A new insight into porosity suppression in additive manufacturing of TiC nanoparticle-enabled aluminum alloys

氢致孔隙抑制通过TiC纳米颗粒实现，孔隙率降低96.8%，晶粒细化至12μm，机理涉及氢在TiC表面的选择性吸附及界面弥散与热调控协同作用。

　　

郭青虎|华世伟|张晨|李晓春

武汉大学技术科学研究院，中国武汉430072

摘要

氢致孔隙问题是铝合金增材制造中的一个关键问题，会降低材料的结构可靠性和性能。目前针对孔隙形成的材料改性策略仍不充分，需要进一步研究。本研究提出了一种基于纳米颗粒的材料设计方法，用于有效抑制孔隙形成。通过添加TiC纳米颗粒，孔隙率降低了96.8%，晶粒尺寸从108 μm减小到12 μm，形成了完全等轴且各向同性的微观结构。多尺度分析和第一性原理计算表明，TiC表面的选择性氢吸附是主要的抑制机制。此外，还有两种协同效应：（i）界面扩散促进了高角度边界的形成，增加了氢分子的捕获密度；（ii）热调节扩展了熔融区范围，增强了氢分子的重新分布和气泡的逸出。这些效应使得孔隙问题能够在原位得到缓解，并实现空间均匀化。这种材料驱动的方法为增材制造中孔隙的原位抑制和缺陷容忍合金的设计提供了有前景的途径。

章节摘录

作者贡献声明

郭青虎：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、实验研究、数据分析、概念构思。华世伟：可视化处理、验证、数据分析。张晨：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、项目监督、资源协调、资金申请、概念构思。李晓春：初稿撰写、验证、资源协调、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0616701和2022YFB4600802）、国家自然科学基金（项目编号：52475396和52075393）、湖北省自然科学基金（项目编号：2025AFA087）的支持，以及航空航天科学技术应用创新项目和湖北省青年拔尖人才培育计划的支持。同时，我们也感谢武汉大学相关核心设施的支持。