利用离心铸造技术设计适用于激光粉末床熔融的铝合金：微观结构与力学性能的冷却速率调控研究

本研究针对激光粉末床熔融（PBF-LB/M）技术中铝合金材料开发耗时耗力的问题，创新性地采用离心铸造（CC）和重力铸造（GC）作为快速材料筛选方法，模拟PBF-LB/M的高冷却速率条件（101–105 K/s）。研究发现，通过调控冷却速率可显著细化AlSi12合金的晶粒尺寸（从198 μm降至10 μm）、改变Si相形态（从退化共晶转变为纤维状共晶），并提升屈服强度（CC试样达到PBF-LB/M试样82%的压缩应力）。该工作为铝合金的增材制造材料设计提供了高效、低成本的预筛选方案。

　　

随着增材制造技术的快速发展，激光粉末床熔融（PBF-LB/M）已成为制造复杂轻质铝结构的先进手段。然而，该技术极端的热过程条件严重限制了传统铝合金的可加工性，尤其是高强度铝合金易出现热裂等问题。尽管通过优化工艺参数或添加成核颗粒（如TiB₂、LaB₆）可部分改善加工性，但根本解决方案仍需针对PBF-LB/M定制合金化学成分。然而，合金成分设计空间巨大，传统粉末冶金方法耗时耗力且成本高昂，亟需开发快速、小批量的材料筛选技术。

为应对这一挑战，本研究创新性地采用离心铸造（Centrifugal Casting, CC）和重力铸造（Gravity Casting, GC）作为快速材料筛选方法，通过模拟PBF-LB/M的高冷却速率条件（10¹–10⁵ K/s），系统研究了冷却速率对AlSi12合金微观结构和力学性能的影响。研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为铝合金的增材制造材料设计提供了高效、低成本的预筛选方案。

研究人员主要采用了离心铸造、重力铸造和激光粉末床熔融三种制备技术，结合光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）以及压缩和硬度测试等分析手段，全面表征了不同冷却速率下AlSi12合金的微观结构演变、相组成、晶粒尺寸、Si过饱和度及力学性能。试样来源于高纯度铝和单晶硅通过感应熔炼和电弧熔炼制备的母合金。

3.1. 不同冷却条件下的微观结构演变

通过光学显微镜和电子显微镜观察发现，随着冷却速率从GC（10–70 K/s）到CC（约10³ K/s）再到PBF-LB/M（10⁴–10⁶ K/s），AlSi12的微观结构发生显著变化：GC样品呈现退化共晶和粗大 dendritic α-Al（树枝状α-Al）；CC样品形成纤维状Al-Si共晶和细 dendritic α-Al；PBF-LB/M样品则呈现细胞状α-Al和异质微观结构。晶粒尺寸从GC的198 μm降至CC的61 μm，进一步降至PBF-LB/M的10–18 μm。EBSD分析显示，PBF-LB/M样品存在明显的织构（优先取向），而铸造样品则无此现象。

3.2. 过程相关的过饱和与分解

XRD和DSC分析表明，高冷却速率导致Si在α-Al基体中的过饱和。PBF-LB/M样品的Al晶格参数减小（4.0449 ?），表明Si固溶度增加（约2.4 at.%）。DSC曲线显示，所有样品在约290°C出现放热峰，对应于过饱和Si的析出，且放热焓随冷却速率增加而增大（GC: -10.6 J/g, CC: -19.7 J/g, PBF-LB/M: -30.0 J/g），证实了冷却速率对Si过饱和度的显著影响。

3.3. 过程相关的力学性能

压缩测试表明，屈服强度（YS）随冷却速率增加而显著提高：GC为120 MPa，CC为165 MPa，PBF-LB/M为251 MPa。CC试样在10%应变下的压缩应力达到PBF-LB/M试样的82%，且极限抗压强度和总应变与PBF-LB/M试样相近。硬度测试结果一致：GC、CC和PBF-LB/M的布氏硬度分别为59 HBW、93 HBW和118 HBW。断裂表面分析显示，CC和PBF-LB/M样品均呈现剪切断裂，但PBF-LB/M样品更脆，存在微裂纹。

研究结论表明，离心铸造可作为有效的快速材料筛选技术，用于预测铝合金在PBF-LB/M过程中的力学性能。尽管CC无法完全复制PBF-LB/M的异质微观结构和高冷却速率，但其在晶粒细化、共晶形态演变及力学性能方面与PBF-LB/M表现出高度一致性。该技术仅需少量原料（几克），无需粉末制备，能显著降低材料开发的时间和成本。此外，研究强调了晶粒细化和Si相形态是影响力学性能的主导因素，而Si过饱和度和相分数的影响较小。这一发现为铝合金增材制造的材料设计提供了重要指导，有望推动高性能定制铝合金的快速发展。