TiC陶瓷增强相实现高强铝合金增材制造裂纹抑制与力学性能提升——激光定向能量沉积AA6061–TiC复合材料研究

《Materials Science and Engineering: A》：Crack mitigation and mechanical property enhancement in additive manufacturing of high-strength aluminum alloys via ceramic reinforcements

　　

高强铝合金是重要的轻质结构材料，但其在基于熔化的增材制造（additive manufacturing, AM）中的应用受到严重凝固开裂的限制。本研究展示了一种通过在AA6061的激光定向能量沉积（laser-directed energy deposition, LDED）中添加碳化钛（titanium carbide, TiC）陶瓷增强相来有效抑制开裂的策略。研究人员采用高能球磨制备了含0.5–5 vol.% TiC、粒径分别为45–150 μm、1–5 μm和40 nm的预混AA6061–TiC粉末，并利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDX）及纳米压痕技术，系统研究了TiC含量和粒径对开裂行为、微观组织演变及局部力学响应的影响。未增强AA6061表现出大量凝固开裂和粗大柱状晶，而TiC的添加通过促进柱状晶向等轴晶转变和显著晶粒细化，成功抑制了开裂。提高TiC体积分数并减小TiC粒径可获得更细化的晶粒组织和更弱的织构。其中，含5 vol.% TiC（1–5 μm）的样品实现了最强的强化效果，其纳米压痕硬度最高达1619 MPa，而未增强AA6061仅为1040 MPa。除LDED后保留的TiC外，研究人员还观察到纳米级再凝固TiC以及富集Mg–Si、Al–Ti和Si–C的晶界析出相，这些相可能通过异质形核、晶界强化与析出强化以及位错钉扎作用共同促进强化。

**研究背景与意义**

高强度铝合金（HS-Al alloys）是重要的轻质结构材料，其中AA6061因强度与延展性的优异平衡而被广泛使用。基于熔化的增材制造（AM），特别是激光定向能量沉积（laser-directed energy deposition, LDED），在成形复杂几何构件和原位调控成分/组织方面具有突出优势，但其应用受限于严重的凝固开裂。该开裂源于陡峭热梯度下柱状晶持续生长所致的长晶界与低补液能力，以及铝合金本身宽凝固区间、高热膨胀系数和低熔体流动性等材料因素。传统溶质型细化方法如Ti、B、Sc、Zr等受溶质溶解、析出动力学和局部热历史制约，效果不稳定。碳化钛（TiC）因与α-Al具有相同面心立方结构和较低晶格错配度、高熔点及在铝熔体中的稳定性，被认为是理想的异质形核剂和增强相。然而，以往研究多仅考虑单一TiC粒径或单一添加方式，未系统考察TiC粒径和体积分数对保留TiC颗粒、反应析出相空间分布以及裂纹抑制和强化的协同作用。为此，研究人员系统研究了TiC粒径和含量对LDED成形AA6061–TiC复合材料凝固行为、裂纹敏感性、晶粒组织、织构、物相演变及局部力学响应的影响。

**研究内容与总体发现**

研究人员通过高能球磨制备了含不同粒径（45–150 μm、1–5 μm、40 nm）和体积分数（0.5 vol.%和5 vol.%）TiC的AA6061–TiC预混粉末，采用LDED制备复合材料，并结合多种表征手段揭示其组织与性能。结果表明，TiC添加可显著抑制凝固裂纹，促进柱状晶向等轴晶转变并细化晶粒；5 vol.% TiC（1–5 μm）样品获得最高硬度，较未增强AA6061提高约55%。这些发现为通过陶瓷增强相实现高性能铝合金熔融增材制造提供了有效途径。

**关键技术方法**

AA6061与TiC粉末均购自Atlantic Equipment Engineers?。研究人员采用高能球磨制备预混粉末，随后使用配备1000 W连续波光纤激光器（λ=1064 nm）的Optec LENS? MR-7系统进行LDED成形。表征手段包括金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜及能量色散X射线光谱（SEM-EDX）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM/EDX）以及基于连续刚度测量（CSM）的纳米压痕测试。球磨转速为150 rpm，总时长60 min，锆球与粉末质量比为3:1。所有样品均沉积于铝基板，层间扫描旋转角为90°。

**研究结果**

**3.1 晶粒、织构与物相**

光学显微镜观察显示，未增强AA6061存在大量沿堆积方向扩展的纵向凝固裂纹，腐蚀后呈现粗大柱状晶组织；TiC增强样品未观察到明显宏观裂纹，且组织为等轴晶。EBSD分析表明，未增强AA6061平均晶粒尺寸为52.79 μm，具有强<001>织构（最大强度6.62 m.r.d.）；添加5 vol.%粗TiC（45–150 μm）后晶粒细化至34.63 μm，织构强度降至2.81 m.r.d.；5 vol.% TiC（1–5 μm）和5 vol.% TiC（40 nm）样品分别进一步细化至16.11 μm和15.99 μm，织构强度分别降至1.86 m.r.d.和1.71 m.r.d.；0.5 vol.% TiC（1–5 μm）样品的平均晶粒尺寸为19.34 μm，织构强度为2.53 m.r.d.。XRD确认LDED后TiC仍稳定保留，且TiC峰强度随含量增加而增强。EBSD相图和TEM/EDX进一步显示，除未熔TiC外，还有纳米尺度再凝固TiC颗粒沿晶界分布，并在晶界及TiC颗粒周围观察到富Mg–Si、Al–Ti和Si–C的析出相，分别可能对应Mg₂Si、Al₃Ti和SiC。这些相通过异质形核、晶界钉扎和沉淀强化等方式共同影响最终组织与性能。

**3.2 纳米压痕**

纳米压痕测试显示，未增强AA6061的平均硬度为1040 MPa；5 vol.% TiC（45–150 μm）样品硬度为1252 MPa；5 vol.% TiC（1–5 μm）样品硬度最高，达到1619 MPa，其基体主导硬度为1483 ± 99 MPa；5 vol.% TiC（40 nm）样品硬度为1380 MPa；0.5 vol.% TiC（1–5 μm）样品硬度为1102 MPa。各样品约化模量保持稳定，介于82.1–84.7 GPa之间。高分辨硬度分布图显示复合材料存在铝基体、界面区和保留TiC颗粒三种微区，最高硬度区域对应保留TiC颗粒。TiC颗粒与基体之间较连续的硬度过渡表明界面结合良好，有利于载荷从基体向增强相传递。5 vol.% TiC（1–5 μm）样品的最高硬度源于晶粒细化、保留TiC、颗粒–基体相互作用及二次析出相的共同贡献。

**讨论**

TiC加入显著降低了LDED AA6061的开裂敏感性。未增强合金中长柱状晶具有较小二面角，形成较深沟槽，加之AA6061熔体流动性低，补液困难，易在凝固末期引发开裂。TiC颗粒作为异质形核核心促进柱状晶向等轴晶转变，同时TiC相关析出相对晶界产生Zener钉扎效应，进一步限制柱状晶生长。细化后的晶粒使残余液相更易填充晶界，从而抑制裂纹。强化方面，保留TiC颗粒可通过载荷传递和Orowan绕过机制提高流变应力；Mg–Si富集相提供析出强化；Al₃Ti具有与Al基体良好的晶体学相容性，可促进晶粒细化并通过阻碍晶界滑动提升晶界强化；Si–C富集区域可能引起局部刚度和硬度变化。纳米TiC样品的强化效果低于1–5 μm TiC，可能与其团聚、分散不均匀以及界面反应有关；粗TiC和低含量TiC则因颗粒数密度低、间距大而强化效果有限。约化模量基本不变，说明在当前体积分数和粒径范围内TiC对弹性刚度影响较小。研究人员同时指出，次要相精确鉴定需借助高分辨透射电子显微镜和选区电子衍射，当前力学评价主要针对局部区域，且高能球磨的工业规模放大仍存在成本与粉末变形控制等挑战。

**结论**

本研究系统考察了TiC粒径和体积分数对LDED成形AA6061–TiC复合材料裂纹抑制、晶粒细化、物相演变和局部力学响应的影响。主要结论包括：TiC添加通过保留TiC颗粒促进异质形核，使组织由柱状晶转变为等轴晶，从而显著降低凝固裂纹敏感性；提高TiC体积分数并减小TiC粒径可增强晶粒细化效果并削弱晶体织构，纳米TiC的细化效果与1–5 μm TiC相近，这可能与团聚、分散不均和界面反应有关；除保留TiC外，晶界及TiC颗粒周围还形成再凝固Ti–C、Al–Ti、Mg–Si和Si–C富集相，表明LDED过程中发生了部分溶解、界面反应、元素偏聚和析出；纳米压痕结果显示，5 vol.% TiC（1–5 μm）复合材料的平均硬度最高，为1619 MPa，较未增强AA6061的1040 MPa显著提高，强化机制包括晶粒细化、保留TiC、颗粒–基体相互作用和二次析出相强化；约化模量保持稳定，说明TiC对弹性刚度影响有限。综上，TiC增强相可有效抑制裂纹并改善LDED成形AA6061的力学性能，为高强铝合金的熔融增材制造提供了重要参考。