通过添加钛纳米颗粒，采用电弧增材制造技术制备了各向同性的高强度Al-Mg-Si-Zn-Cu合金

《Materials Characterization》：Isotropic high strength Al-Mg-Si-Zn-Cu alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing via Ti nanoparticles addition

WAAM工艺中添加Ti纳米颗粒使Al-1.2Mg-0.8Si-3.0Zn-0.8Cu合金获得～365-375 MPa屈服强度和6.4-7.3%延伸率的各向同性性能，Al3

　　

徐刘|泽天刘|邵有张|春峰杜|景华田|申宝金|祖来李|超李|慧媛王

高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130，中国

摘要

通过线弧增材制造（WAAM）工艺制备的Al-Mg-Si合金通常具有粗大的柱状晶粒结构，这导致其力学性能呈现各向异性。在本研究中，我们使用Ti纳米颗粒对Al-1.2Mg-0.8Si-3.0Zn-0.8Cu（重量百分比）合金进行了改性，并通过WAAM工艺制备出了等轴细晶粒合金。经过固溶处理和人工时效热处理后，该合金获得了优异的各向同性力学性能，其屈服强度和伸长率分别约为365–375 MPa和6.4–7.3%，与挤压制备的Al-Mg-Si合金相当。在WAAM过程中原位形成了具有L₁₂有序结构的Al₃Ti颗粒，这些颗粒促进了α-Al的非均匀形核，使晶粒尺寸从毫米级显著细化至约44 μm。β″和L相的协同沉淀作用进一步增强了合金的人工时效强度。本研究为设计高性能且低成本的WAAM Al合金提供了新的思路。

引言

Al-Mg-Si合金因其高比强度和良好的耐腐蚀性而在航空航天和汽车工业中得到广泛应用[1]、[2]。作为锻造铝合金，Al-Mg-Si合金通常需要经过铸造、挤压/锻造和机械加工等一系列工序，这导致制备流程较长且成本较高，难以满足对高效、环保的先进铝合金部件的生产需求。

自21世纪以来，线弧增材制造（WAAM）技术由于具有较高的设计自由度和生产效率而快速发展。针对WAAM工艺的Al-Mg-Si合金的设计与工艺开发成为了一个新的研究方向。与激光粉末床熔融（LPBF）相比，WAAM更适合打印中型至大型复杂部件，同时能够减少材料浪费和缩短交货时间[3]、[4]、[5]。此外，由于Al合金对激光的高反射率，LPBF工艺在制备Al合金时存在一定的技术挑战。因此，WAAM技术在工程领域具有广阔的应用前景。然而，WAAM工艺的高凝固速率常常导致形成晶粒粗大、晶体结构强烈的柱状结构，从而使得合金的力学性能呈现各向异性，限制了其在变载荷方向（尤其是建造和沉积方向）的应用[6]、[7]、[8]。因此，获得细小的等轴晶粒结构和各向同性力学性能仍然是WAAM Al合金面临的重要挑战。

近期研究表明，在LPBF过程中添加纳米颗粒（如Ti[9]、[10]、TiB₂[11]、[12]和TiC[13]、[14]）可以促进非均匀形核，形成细小均匀的等轴晶粒结构，有助于改善冶金缺陷并提升力学性能。对于WAAM工艺，人们尝试通过使用改性线材或在线材沉积层上涂覆非均匀形核剂颗粒来实现晶粒细化。例如，徐等人[15]利用TiC/Ti增强线材成功打印出了细晶粒（8–9 μm）的高强度Al-Zn-Mg-Cu合金，其极限抗拉强度达到了约578 MPa。金等人[16]研究了TiC颗粒对WAAM Al-Cu合金微观结构和力学性能的影响，发现添加0.9 wt%的TiC后合金形成了完全等轴的晶粒结构，极限抗拉强度达到约390 MPa。此外，WAAM工艺参数也对晶粒尺寸和力学性能有显著影响。侯等人[17]采用100°C的中间层温度（IW）和连续打印（CP）工艺制备了Al-Mg-Sc-Zr合金，结果表明IW工艺制备的样品（晶粒尺寸约10.51 μm）比CP工艺制备的样品（晶粒尺寸约11.85 μm）更细小，并且在325 °C下热处理6小时后IW样品的抗拉强度最高（约400 MPa）。尽管目前的高强度WAAM Al-Cu和Al-Zn-Mg-Cu系列合金的抗拉强度可超过350 MPa，但由于其较高的热撕裂敏感性，其在实际应用中受到限制。这凸显了缺乏专门针对WAAM工艺的高加工性合金体系及高效晶粒细化剂的需求。

目前，对于WAAM Al-Mg-Si合金而言，同时实现晶粒细化和屈服强度（YS）超过350 MPa仍然是一个挑战。近年来，向Al-Mg-Si合金中添加Zn已成为提升其力学性能的有效策略，因为Zn在Al中的溶解度高且扩散速度快[18]、[19]、[20]。例如，郭等人[21]在Al-0.9Mg-0.6Si合金中添加了3.0 wt%的Zn，在160 °C的峰值时效条件下，添加Zn的合金屈服强度（318.5 MPa）比未添加Zn的合金（293.9 MPa）提高了24.6 MPa。基于我们之前的研究[22]，新型Al-Mg-Si-Zn系列合金展现了优异的强度和成型性组合，为高效WAAM线材生产和高强度WAAM合金打印提供了潜力。此外，添加Cu还能促进含Cu相的析出，进一步提高合金的整体强度[23]、[24]。此外，在WAAM过程中原位引入Ti纳米颗粒可以促进晶粒细化，并确保熔池内的成分均匀性和微观结构的一致性。根据谭等人的研究[9]，在选择性激光熔化2024 Al合金中添加Ti纳米颗粒后，其力学性能得到了显著提升（抗拉强度从约180 MPa提高到约310 MPa，伸长率从约2.7%提高到约12%）。Ti纳米颗粒在Al基体中形成的L₁₂-Al₃Ti颗粒不仅促进了晶粒细化，还增强了晶界强度；同时，这些颗粒还参与了析出强化过程。

本研究探讨了Ti纳米颗粒在WAAM Al-Mg-Si-Zn-Cu合金中的作用。经过固溶和人工时效处理后，改性合金的屈服强度达到约365–375 MPa，伸长率为约6.4–7.3%。据我们所知，WAAM Al-Mg-Si系列合金中很少有报道过如此优异的力学性能。本研究的目的是阐述Ti纳米颗粒对新型WAAM Al-Mg-Si-Zn-Cu合金强度提升的积极作用，为高效、低成本制备具有等轴晶粒结构和各向同性力学性能的高强度WAAM Al合金提供技术参考。

实验步骤

实验方法

本实验使用的Al线材（直径1.6 mm）由明美镁科技有限公司（中国河南）生产，成分为Al-1.2Mg-0.8Si-3.0Zn-0.8Cu-0.2Mn-0.1Fe（重量百分比）。通过往复沉积工艺将线材沉积在6061挤压板上，最终制得尺寸约为10 cm长、1 cm宽、4 cm高的薄壁部件（图1(a)）。WAAM过程中的环境温度为18–20 °C，湿度为23–25%。

结果

图2(a-c)展示了本研究中使用的Ti纳米颗粒的典型FE-SEM图像及其对应的EDS点分析结果。Ti纳米颗粒呈球形，平均直径约为60 nm（图2(b)和d)。

为了观察无Ti添加和添加Ti的合金的微观结构，图3(a)和(b)展示了沿BD-DD方向的AS样品的逆极图（IPF）映射。对于无Ti添加的合金（图3(a)），晶粒沿BD方向呈粗大的柱状排列。

讨论

根据Hunt的柱状晶粒向等轴晶粒转变（CET）模型，当满足以下条件时，预计会形成完全等轴的晶粒结构[44]： $G<{N_0}^{\frac{1}{\frac{1}{\frac{{\left(?\frac{{\left(?T_n\right)}^3}{{\left(?T_c\right)}^3}\right)}^{?}}{}}}}$ 其中G表示温度梯度，N_{0表示单位体积内的非均匀形核数量，Δn表示非均匀形核温度下的过冷度，Δc表示成分过冷度。}

我们假设Ti改性合金中的所有Ti颗粒均与Al形成了Al₃Ti相。Al₃

结论

本研究详细探讨了Ti纳米颗粒对WAAM Al-1.2Mg-0.8Si-3.0Zn-0.8Cu合金微观结构和力学性能的影响。改性合金表现出优异的各向同性力学性能，屈服强度约为365–375 MPa，伸长率为约6.4–7.3%。这些高性能主要归因于原位形成的Al₃Ti颗粒所促成的晶粒细化，以及β″和L相的协同析出效应。

作者贡献声明

徐刘：撰写——原始草案、验证、方法学设计、数据整理、概念构思。 泽天刘：撰写——审稿与编辑、数据可视化、实验设计。 邵有张：撰写——审稿与编辑、数据可视化、数据整理。 春峰杜：实验指导、数据分析。 景华田：数据可视化、数据整理。 申宝金：数据验证。 祖来李：数据可视化、验证。 超李：方法学设计、数据整理。 慧媛王：数据可视化、验证、实验指导。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0108900）、国家自然科学基金（项目编号：52334010、52404397、52401044）、河北省自然科学基金（项目编号：E2025202222）、河北省教育厅科研项目（项目编号：BJK2024061、BJK2024023）以及燕赵黄金人才集聚计划——骨干人才项目（博士后平台）（项目编号：B2025003006、B2024005008）的支持。

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或个人关系。