激光粉末床熔融AlSi9Cu3(Fe)合金热处理工艺优化及其力学性能调控研究

本研究针对PBF-LB（激光粉末床熔融）制备的AlSi9Cu3(Fe)合金存在的强度-塑性难以协同调控问题，系统探究了不同温度（190-400°C）和时效时间（0.5-8h）热处理对微观组织演变的影响。通过DSC、XRD、EBSD等多尺度表征技术，揭示了θ''-Al2Cu析出序列与Si网络演化规律，开发出可兼顾强度（UTS 384MPa）与延伸率（11.58%）的短时热处理方案，为汽车轻量化部件性能定制提供新策略。

　　

在增材制造技术快速发展的背景下，铝合金因其优异的比强度和成型性能成为汽车、航空航天领域轻量化设计的理想材料。然而，传统铸造AlSi9Cu3(Fe)合金存在强度与塑性难以兼得的瓶颈问题，而新兴的激光粉末床熔融(PBF-LB)技术虽能实现复杂结构一体化成型，但其快速凝固特性导致的非平衡微观组织又给性能调控带来新挑战。如何通过短时高效的热处理工艺实现性能精准定制，成为制约该技术工业化应用的关键难题。

针对这一科学问题，意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）的Lagalante Ilaria团队在《Materials Chemistry and Physics》发表重要研究成果。研究人员采用多尺度表征与力学测试相结合的方法，首先通过差示扫描量热法(DSC)确定析出相变温度窗口，设计190-400°C梯度温度热处理实验；利用X射线衍射(XRD)分析相组成演变，结合扫描电镜(SEM)观察Si网络形貌演化；通过电子背散射衍射(EBSD)解析晶粒取向，最后通过拉伸测试建立工艺-组织-性能关联模型。

研究结果揭示：

1. 1.

   原始组织特征：PBF-LB制备的合金呈现熔池边界（MP）分级结构，中心区域细胞尺寸仅0.47μm，冷却速率达10⁶ K/s，形成过饱和固溶体。

2. 2.

   直接时效优化：190°C/1h的T5处理使硬度提升5%至155.9HV，归因于θ''-Al₂Cu和纳米Si协同析出，但延伸率降至2.27%。

3. 3.

   退火工艺突破：300°C处理实现强度-塑性平衡（UTS 384MPa，ε=4.65%），归因于Si网络球化；400°C处理使延伸率激增290%，但强度下降28%。

4. 4.

   相变机制解析：DSC证实250°C以上θ'相大量析出，XRD显示Al晶格参数从4.049?（原始态）增至4.053?（400°C），印证固溶体贫化。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了PBF-LB制备高Fe含量AlSi9Cu3合金的析出动力学规律，开发出1-4h短时热处理工艺窗口。相比传统T6处理需要10h以上，新方案在保证性能达标（满足EN 1706标准）的同时，将工艺时间缩短60%，为不同应用场景提供定制化解决方案——190°C时效适用于发动机缸体等高强度部件，400°C退火适合需高韧性的底盘结构件。该成果为增材制造铝合金的工业化应用提供了重要的理论和工艺支撑。