纳米ZrO2增强粉末床熔融-激光束加工Al-Cu-Mg合金

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Nano-ZrO2-enabled powder bed fusion-laser beam of an Al-Cu-Mg alloy

　　

研究人员通过机械混合引入0.5 wt.%二氧化锆（ZrO₂）纳米颗粒，采用粉末床熔融-激光束（PBF-LB）工艺加工了一种对热裂纹敏感的铝-铜-镁（Al-Cu-Mg）合金。首先为单一合金建立了工艺窗口，揭示了致密化对体积能量密度的高度敏感性。过高的能量输入促进了匙孔诱导的球形孔隙，而能量密度不足则导致不规则的未熔合缺陷。大约278 J/mm³的中间能量密度使两种缺陷类型均最小化，并获得了最高相对密度（约97%）。ZrO₂纳米颗粒的加入显著改善了加工性和构建质量。在优化工艺条件下，热裂纹被抑制，残余孔隙降至可忽略水平，二维图像分析确定的相对密度增至99.9%。同时，凝固组织从跨越多个熔覆层的粗大外延柱状晶演变为细化的混合柱状-等轴形态，柱状晶宽度减少约75%。这种微观组织细化使硬度从55 HV增至89 HV，提高了约62%。沉积态ZrO₂改性合金的屈服强度为222 MPa，极限抗拉强度为367 MPa，延伸率为6.9，并表现出显著加工硬化行为。相比之下，单一合金因广泛裂纹而无法进行拉伸测试。断口分析揭示了混合韧窝/解理断裂模式。结果表明，ZrO₂纳米颗粒通过增加形核频率和破坏外延生长来改变凝固路径，从而促进局部等轴晶形成、细化微观组织并抑制热裂纹形成。

论文解读文章

研究背景、问题与目的：粉末床熔融-激光束（PBF-LB）增材制造在高强度铝合金加工中面临严峻挑战，尤其是2xxx系（Al-Cu-Mg）和7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu）等可热处理强化合金，因其宽的凝固温度区间和强烈的柱状晶生长倾向，极易产生热裂纹。现有研究多集中于Al-Si系共晶合金（如AlSi10Mg），其凝固区间窄、抗裂性好，但高强度铝合金的增材制造仍受限于致密化困难和裂纹敏感性。为扩展PBF-LB的应用范围，需开发抑制热裂纹的有效策略，例如通过添加晶粒细化剂或异质形核颗粒促进柱状晶向等轴晶转变（CET）。已有研究采用Sc、Ti、Zr等元素及TiB₂、TiC等陶瓷接种剂，但氧化锆（ZrO₂）纳米颗粒作为低成本、化学稳定性好的晶粒细化剂在Al-Cu-Mg合金中的应用尚未充分探索。因此，该研究旨在系统评估ZrO₂纳米颗粒对热裂纹敏感的Al-Cu-Mg合金在PBF-LB工艺中的可加工性、微观组织及力学性能的影响。

研究人员开展的研究、结论与意义：研究人员通过低能球磨将0.5 wt.% ZrO₂纳米颗粒（<50 nm）与气雾化Al-Cu-Mg合金粉末机械混合，制备复合粉末。首先对单一合金进行工艺窗口研究，系统改变扫描速度（440-600 mm/s）和扫描间距（40-80 μm），固定激光功率260 W和层厚30 μm，通过九组参数组合确定最优条件。随后在相同参数下加工ZrO₂改性合金，对比分析致密化、裂纹抑制、微观组织、显微硬度和拉伸性能。研究发现，单一合金在体积能量密度约278 J/mm³时获得最高相对密度（约97%），但热裂纹广泛存在。添加ZrO₂后，热裂纹完全消除，相对密度提升至99.9%，微观组织从粗大外延柱状晶（宽度约120 μm）转变为细化的混合柱状-等轴晶（宽度约30 μm），减少约75%。硬度从55 HV增至89 HV（提高62%），拉伸屈服强度222 MPa、抗拉强度367 MPa、延伸率6.9%，并表现出显著加工硬化。单一合金因严重裂纹无法进行拉伸测试。该研究发表《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》上，意义在于证明ZrO₂纳米颗粒是一种低成本、有效的裂纹抑制剂，为高强Al-Cu-Mg合金的PBF-LB加工提供了新策略。

主要关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用低能球磨（150 rpm，6 h，氩气氛，球粉比1:1）将ZrO₂纳米颗粒与Al-Cu-Mg合金粉末机械混合制备复合粉末。PBF-LB加工使用Noura M100设备（300 W连续波光纤激光，光束直径80 μm），采用层间旋转67°的蛇形扫描策略。通过改变扫描速度和扫描间距建立工艺窗口，利用体积能量密度公式比较不同参数。微观组织表征采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）。致密度通过二维图像分析（ImageJ）测量，裂纹密度通过Ridge Detection插件量化。力学性能测试包括维氏显微硬度（5 gf，10 s）和室温单轴拉伸（应变速率0.2 mm/min），结合数字图像相关（DIC）测量应变演化。断口形貌采用SEM二次电子模式观察。

研究结果（保留原小标题）：

3.1 工艺窗口与缺陷演变：通过光学显微图（图2）分析不同参数下的缺陷类型。随体积能量密度从约180 J/mm³增至约500 J/mm³，裂纹密度从4.5-5.0 mm/mm²降至约1.0 mm/mm²。高能量密度区（>328 J/mm³）以匙孔诱导球形孔洞为主，低能量密度区（<246 J/mm³）以未熔合（LoF）缺陷为主，中间能量密度区（约278 J/mm³）缺陷最少，获得最高相对密度（约97%）。

3.2 ZrO₂添加的致密化与缺陷抑制：在优化参数（扫描间距60 μm，扫描速度520 mm/s，能量密度278 J/mm³）下，ZrO₂改性合金的光学显微图（图3）显示无可见热裂纹，残余孔隙几乎消失，相对密度从97.1%提升至99.9%。

3.3 微观组织表征：蚀刻光学显微图（图4）显示单一合金为沿构建方向延伸的粗大外延柱状晶，裂纹沿柱状晶界扩展。ZrO₂改性合金呈现混合柱状-等轴晶，柱状晶宽度从约120 μm降至约30 μm。XRD（图5）显示两者均为α-Al相，无ZrO₂或反应产物峰。SEM（图6）证实改性合金中细等轴晶区域密集分布亚微米细胞状枝晶，细胞边界富集Cu、Mg、Fe析出相。

3.4 显微硬度与拉伸响应：显微硬度（图7a）显示单一合金在优化条件下硬度55±2 HV，ZrO₂改性合金增至89±2 HV（提高62%）。拉伸曲线（图7b）显示屈服强度222±12 MPa、抗拉强度367±10 MPa、延伸率6.9±0.7，并具有显著加工硬化和吕德斯带形成。断口分析（图7c-e）呈现混合韧窝-解理-沿晶断裂模式，改性合金中仅残留孤立细胞状枝晶区域，证明热裂纹已基本消除。

讨论总结：讨论部分首先分析了致密化与开裂行为与参数的关系（4.1节），指出能量密度通过影响匙孔、LoF和裂纹的竞争关系决定密度，ZrO₂添加消除了裂纹并减少孔隙。在热裂纹机制与缓解策略（4.2节）中，详细阐述了Al-Cu-Mg合金宽的凝固区间和柱状晶生长导致的高热裂纹敏感性，并通过Scheil-Gulliver计算和裂纹敏感性指数（CSI）比较了不同合金，证实该Al-Cu-Mg合金具有最高CSI。参数优化虽能减少孔隙但无法抑制柱状晶，而引入异质形核剂促进CET是最有效策略。微观组织（4.3节）方面，讨论了ZrO₂可能的细化机制，包括Zener钉扎、改变溶质分布、降低热梯度、增强熔体对流，以及可能发生原位还原反应生成Al₃Zr（L1₂结构）提供有效形核位点，但需TEM进一步验证。力学性能（4.4节）方面，硬度提高归因于晶粒细化和第二相强化，拉伸加工硬化能力强与细化晶粒增加位错储存能力有关，但塑性仍低于7%受高密度位错和残余缺陷影响。

研究结论（翻译原文5. Conclusions）：通过机械混合添加0.5 wt.% ZrO₂纳米颗粒，成功实现了PBF-LB/M加工近全致密、无裂纹的Al-Cu-Mg合金。初步工艺窗口研究确定了基于扫描速度和扫描间距的最优参数组合，并将其应用于改性合金的制造。(1) Al-Cu-Mg合金对工艺参数高度敏感，所有条件下均存在裂纹，缺陷形成由体积能量密度主导：高值（>328 J/mm³）导致匙孔孔隙，低值（<246 J/mm³）产生未熔合缺陷，中间条件（约278 J/mm³）使孔隙最小化并获得最高相对密度（约97%）。(2) ZrO₂添加消除了热裂纹并将孔隙降至可忽略水平，密度提升至99.9%。微观组织从跨越多个熔覆层的粗大外延柱状晶转变为细化的柱状-等轴结构，柱状晶宽度减少约75%，晶粒连续性被中断。(3) 改性合金硬度提高约62%（从55±2 HV增至89±2 HV）。单一合金因裂纹无法进行拉伸测试，而ZrO₂改性合金的屈服强度为222±12 MPa、极限抗拉强度为367±10 MPa、延伸率为6.9±0.7，并具有显著加工硬化。断口揭示混合韧窝-解理-沿晶断裂模式。总之，微量ZrO₂添加通过改变凝固行为有效抑制热裂纹并促进致密化，但未实现完全柱状晶向等轴晶转变。纳米颗粒诱导细化和裂纹抑制的潜在机制尚需进一步阐明，未来工作应包括重复构建、每工艺条件多个试样以及体敏感测量以量化可重复性。