通过增材制造技术，利用激光诱导的原位纳米 whisker （纳米须）来制备高强度铝合金

《Acta Materialia》：Harnessing laser-induced in-situ nanowhiskers for high-strength aluminum alloys via additive manufacturing

通过激光粉末床熔融（LPBF）过程中利用极端热梯度和激光反冲压力，在 situ 合成高密度（5-15 nm）MgAlB4纳米须，显著提升AA2024铝合金的力学性能至抗拉强度610 MPa和延伸率8.0%，同时实现近全致密化（99.991%）和超细等轴晶（1.3 μm）。

　　

杨浩然|白向仁|赵东东|沙俊伟|荣旭东|荣泽豪|钱峰|潘世伟|兰江林|张向|何春年|赵乃勤

天津大学材料科学与工程学院及天津复合与功能材料重点实验室，中国天津300072

摘要

长期以来，通过增材制造制备轻质高强度铝合金一直依赖于昂贵的金属元素（如Sc、Zr等）来实现高强度，这严重限制了它们的广泛应用。本文提出了一种无需使用昂贵元素的方法，该方法利用激光粉末床熔融（LPBF）过程中的极端温度梯度和激光诱导的反冲压力，在铝合金基体中原位合成致密且均匀分布的MgAlB₄纳米晶须。这些纳米晶须的直径为5-15纳米，长宽比超过20，有效消除了凝固裂纹和孔隙，使得合金的致密度接近100%（约99.99%），并形成了超细的等轴晶粒结构（约1.3微米）。由于纳米晶须的高长宽比及其与铝合金基体的强界面结合，实现了显著的位错-晶须相互作用。基体中的准连续纳米晶须网络不仅促进了位错的储存和增殖，还允许位错沿晶须的垂直方向移动。因此，该合金的最终抗拉强度达到了约610 MPa，均匀伸长率为约8.0%。这项工作为通过增材制造设计和开发低成本、高性能铝合金提供了可行的途径。

引言

先进制造技术的不断发展一直是高性能金属材料发展的基石。其中，激光粉末床熔融（LPBF）作为一种开创性的增材制造（AM）技术，通过快速凝固、剧烈的温度梯度和强烈的热循环，实现了对材料微观结构的前所未有的控制[[1], [2], [3]]。这一先进的制造平台不仅提供了前所未有的设计自由度和工艺灵活性，还促进了材料的定制化、高利用率以及在部件几何形状上的无与伦比的精度[4,5]。这些独特的能力使得LPBF成为开发下一代轻质合金（尤其是高强度铝合金）的特别有前景的方法，这些合金对于可持续资源和能源应用至关重要[6,7]。 在铝合金领域，共晶Al-Si体系（如AlSi10Mg）由于其出色的可打印性、可靠的焊接性和固有的工艺适应性，在增材制造中得到了最广泛的应用[[8], [9], [10], [11]]。然而，尽管具有这些优势，它们相对较低的抗拉强度严重限制了其在承重结构和高性能环境中的应用。相比之下，虽然高强度商用铝合金（如2xxx和7xxx系列）在机械性能上更优，但在LPBF加工过程中容易出现焊接问题。凝固过程中形成的粗大柱状晶粒通常会导致制造出的微观结构中出现大量热裂纹和孔隙，这归因于LPBF快速冷却和高温梯度带来的复杂凝固动力学以及其较大的凝固范围[12,13]。 为了解决这些关键限制，人们付出了大量努力来优化LPBF铝合金的微观结构，从而提高其机械性能，主要通过异质晶粒形核来实现。其中最常用的策略是添加合金元素（如Sc [14,15]、Zr [16,17]、Nb [18] 和 Ta [19]），这些元素促进了纳米级L1₂-Al₃X相的原位形成。这些分布均匀的沉淀物通常与铝合金基体具有强界面结合，有助于晶粒细化并显著增强强化效果。然而，对昂贵元素的依赖以及定制合金开发的技术负担，对大规模工业应用构成了重大障碍。 为了寻找更具成本效益和可扩展性的解决方案，通过LPBF制备的颗粒增强铝合金受到了关注，作为一种有前景的替代方案。低成本颗粒（如LaB₆ [11]、TiB₂ [2]、TiC [20]）不仅促进了LPBF过程中精细等轴晶粒结构的形成，还通过Orowan强化机制提高了强度。然而，尽管具有潜力，这些增强材料的实际效果往往受到颗粒均匀分布和强颗粒/基体界面结合的挑战，导致微观结构不均匀和机械性能下降[21]。因此，这些局限性凸显了传统LPBF铝合金增强策略的固有缺点，即性能与成本之间的持续权衡仍然是其在高性能应用中广泛采用的主要障碍。 鉴于这些挑战，一种更为优雅和有效的解决方案是在LPBF过程中直接在熔池内原位形成纳米增强体[22]。这种方法实现了增强体的均匀分布，并促进了与基体的强界面结合[23]，从而克服了外部颗粒常见的聚集和润湿性差的问题。特别值得关注的是一维纳米晶须，它们比传统的零维颗粒具有更好的机械性能。其高长宽比允许应力在基体中连续传递，促进了强烈的位错相互作用并增强了加工硬化能力[24]。此外，它们的晶界（GBs）间的分布有效抑制了晶粒粗化，提高了GBs的应变变形稳定性[22]。通过整合这些优势，纳米晶须的原位形成成为LPBF铝合金的一种有前景的强化机制，有效解决了强度和延展性之间的长期权衡问题。 基于上述考虑，我们利用LPBF过程中的极端温度梯度和激光诱导的反冲压力，展示了在商用AA2024合金基体（MgAlB_4w/AA2024）中原位形成致密、均匀分布的纳米级MgAlB₄晶须。这种双场驱动的过程通过强烈的过冷和非平衡能量波动显著增强了凝固动力学，从而最大化了热力学驱动力，同时最小化了晶须形成的形核障碍。结果，高密度的MgAlB₄晶须（直径5-15纳米，长宽比>20）在整个基体中均匀分布，形成了几乎无缺陷的微观结构（致密度99.991%）和高度细化的等轴晶粒（约1.3微米）。这些一维晶须不仅与位错有效相互作用以进行应变硬化，还与铝合金基体具有优异的界面结合，从而提高了强度。因此，该合金的最终抗拉强度（UTS）超过了600 MPa，均匀伸长率（UE）为8.0%。这项工作为克服LPBF铝合金在可打印性、强度和延展性之间的长期权衡提供了成本效益高的途径，为航空航天应用的可持续合金设计提供了新的见解。

粉末制备

原材料为纯AA2024粉末（南通金源智能科技有限公司），粒径范围为15至53微米（图S1a）和高纯度（>99.8%）的非晶硼粉末（上海麦克林生化科技有限公司），平均直径小于5微米（图S1b）。通过旋转速度为50 rpm的3D混合分散设备，将AA2024粉末与1.5 wt.%的硼粉末混合10小时。3D混合分散后，非晶硼粉末被

缺陷和微观结构调控

XRD图谱（图S2）证实了Un-ST MgAlB_4w/AA2024合金和LPBF处理的MgAlB_4w/AA2024合金中存在MgAlB₄的特征峰，未检测到残留的硼峰，表明添加的硼粉末与Al和Mg原子完全反应形成了MgAlB₄相。此外，还观察到了θ相（Al₂Cu）的特征峰，而AA2024合金中常见的S相（Al₂CuMg）峰则不存在。这可以归因于MgAlB₄的原位形成

MgAlB_4w/AA2024合金在LPBF过程中的凝固行为

LPBF处理的MgAlB_4w/AA2024合金的微观结构演变是一个复杂的多尺度过程，受高度瞬态熔池内的热力学和动力学相互作用的影响[49]。LPBF特有的极端过冷、快速凝固和反冲压力共同创造了有利于MgAlB₄晶须生长和Al晶粒异质形核的条件，从而形成了传统冶金方法无法实现的独特微观结构

结论

本研究展示了一种通过LPBF制备高性能铝合金的新颖且具有成本效益的方法。该策略依赖于在AA2024基体内原位合成MgAlB₄纳米晶须，这一过程由LPBF过程中的极端过冷和反冲压力条件触发。形成的晶须具有高密度、均匀分布、纳米级直径（5-15纳米）和高长宽比（>20），与铝合金基体具有强相干界面。

作者贡献

J.S.、X.R.和N.Z.负责项目的启动和监督。H.Y.和X.B.准备了材料并进行了大部分显微实验。H.Y.和Z.R.进行了XRD测量和机械性能测试。S.P.和F.Q.进行了原子分辨率STEM观察和数据分析。J.L.进行了与Flow 3D相关的模拟和分析工作。C.H.、D.Z.和X.Z.提供了有益的讨论。所有作者都对数据进行了深入讨论。J.S.、X.R.、N.Z.、X.B.和H.Y.撰写了论文

CRediT作者贡献声明

杨浩然：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件开发，项目管理，方法学研究，数据分析，概念化。 白向仁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学研究。 赵东东：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，资金筹集。 沙俊伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，资金筹集。