顶刊综述《MSER》：铝合金增材制造孕育处理研究进展

时间：2024-03-22 09:24 来源：材料学网作者：admin 阅读：次

基于粉末的增材制造（AM），即3D打印，正在彻底改变先进工程金属材料的制造方式。铝（Al）合金作为汽车和航空航天行业的主力材料，一直是增材制造领域的热门研究材料。然而，在使用AM生产Al组件的广泛应用中仍然存在挑战。铝合金在增材制造过程中倾向于形成粗大、有织构的柱状晶粒，这会导致热裂纹和严重的性能各向异性。

近期发现在AM中对Al合金进行接种处理可成功实现晶粒细化、裂纹消除和性能改善，这在该领域是向前迈进的关键一步。本文综述了关于AM制造Al合金接种处理的新兴研究，并提供了不同接种技术、各种接种剂的细化效率及其潜在机制的全面概述。本文首先概述了AM中的凝固特性，重点讨论了外延晶粒生长的机制（图1）。

图1：在（a）传统铸造，（b）增材制造和（c）受接种处理的增材制造中的生长的固/液界面前的生成成分过冷 (), 热过冷（以及成核所需的临界过冷度（的示意图.

随后对AM过程中Al合金接种处理的最新进展进行了全面回顾，旨在为读者提供AM制造Al合金中晶粒细化的最前沿知识（图2-4）。其中包括对Zr, Ti，Sc，Ta等Al3X（X=Zr, Ti, Sc, Ta）形核剂形成元素及其化合物的整理，也回顾了混合接种技术在晶粒细化中的优异表现。相比起其他细化剂，原位形成的Al3X细化剂在晶粒细化方面表现更优秀。这可能和它们更加均匀的成分和尺寸分布有关。这种细化剂由于在AM过程中快速凝固的特性而具有纳米级的尺寸。在合理的添加范围内该纳米颗粒不仅能提高强度，还不会明显影响合金的塑性。另外，通过对现有文献的总结，我们发现混合接种技术（即通过多种细化剂的接种）相比单一接种细化剂的细化效果高得多。其中的机理研究表明，混合细化剂可能会相互组合产生协同作用，进一步降低基体铝与细化剂的晶格错配，提高细化效率。

图2：(a)AM制造7075铝合金以及(b)接种ZrH2后的该合金晶粒形貌图和（c）拉伸性能图。（d-f）Zr在AM过程中的细化机理TEM分析（d）TEM明场图，（e）EDS元素分布以及（f）选区衍射花样。

图3：AM制造含TiB2的AlSi10Mg铝合金的（a）晶粒形貌图和（b）微观结构图。（c-f）TiB2在AM过程中的细化机理TEM分析。

图4：(a)AM制造7075铝合金以及(b)单独接种TiH2，和（c）混合接种TiH2以及B的7075合金晶粒形貌图。（d-f）混合接种的细化机理TEM分析（d）TEM明场图，（e）高分辨TEM图以及（f）对应的FFT图。该图表明混合接种TiH2以及B形成了含Al3Ti薄膜的TiB2纳米颗粒。相比起单独的Al3Ti和TiB2，这种复合颗粒的稳定性和细化效果更好。

此外，本文通过对AM制造铝合金中现有的晶粒细化剂进行了晶体学计算（图5），评估了他们在不同合金中的晶粒细化效率，为未来工业化应用提供了指导。我们发现在AM制造中，细化剂的细化效率与它们与基体Al的错配度密切相关，这与传统凝固中的现象一致。综述还包括了作者对当前挑战和利用AM制造先进Al合金的潜在机会的理解与讨论。据此提供了该领域即将到来的前景、科学理解中的空白和扩大AM在制造高性能Al合金方面的研究需求。

图5：（a）通过激光粉床熔化（L-PBF）制造的2024和7075铝合金中，接种剂达到完全/接近完全柱状向等轴晶转变（CET）所需的临界添加量。（b）通过E2EM模型计算，成核剂与Al基体间的定向关系（ORs）对应的原子间错配度值。

基于对已发布结果的综述，可以得出以下结论：

·AM中的晶粒细化：AM中熔池凝固所伴随的大热梯度倾向于促进柱状晶粒的形成。然而，接种处理作为传统铸造中的关键策略，在AM中有效地促进了柱状向等轴晶转变。在金属铸造中建立的晶粒细化理论和模型，如相互依赖理论和E2EM模型，为理解AM制造Al合金中的晶粒细化机制提供了宝贵见解。

·接种处理：引入有效的成核粒子增强了熔池中的异质成核，限制了晶粒生长，并导致细小的晶粒微结构。AM中有效的接种剂包括形成Al3X的元素如Zr、Sc、Ti，以及TiB2、LaB6等化合物。它们的效率在很大程度上由成核剂/Al基体界面的原子间匹配度决定。

·AM专用的新合金开发：接种处理的概念在专门为AM开发新的Al合金中起到了核心作用。这些合金，通常含有Sc、Zr和Ti等接种剂，显示出高打印性，并能在AM的广泛加工窗口中实现等轴晶结构。

·优化接种处理：虽然增加接种剂的添加量可以提高晶粒细化效率，但需要仔细优化，以平衡细化效率与机械性能，并避免过量夹杂。混合接种方法在增加成核粒子密度方面显示出提高细化效率的潜力。此外，通过控制加工过程和添加适当的溶质，还可以进一步提高接种处理的细化效率。

以上见解可以运用到大部分增材制造铝合金中实现晶粒细化，并可以运用于开发“高抗裂性，高强度高塑性3D打印铝合金”这一热门领域。这一思路于2024年2月6号以《铝合金增材制造孕育处理研究进展》（“Recent advances in inoculation treatment for powder-based additive manufacturing of aluminium alloys”）为题发表在国际顶级综述期刊Materials Science and Engineering: R: Reports （IF=31）。澳大利亚昆士兰大学机械与采矿工程学院为论文唯一单位。谭启玚研究员为此综述的第一作者，张明星教授为通讯作者。

全文及所附支持材料，见 https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100773

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