法国国立高等工艺学院丨激光粉末床熔融增材制造高性能准晶增强铝基复合材料

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目前关于激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形高性能Al基复合材料的主要方法是在铝基体中加入硬质陶瓷颗粒，但大部分陶瓷颗粒的热性能，力学性能等与铝基体差异较大，冶金结合不良，可能导致成形零件在复杂载荷条件下过早失效，例如动载疲劳，热疲劳等。金属增强体，如金属间化合物、金属玻璃和准晶(QCs)，由于其与金属基体相协调的优异性能而受到越来越多的关注。准晶具有高硬度、低摩擦系数和高抗腐蚀/磨损性。在众多准晶合金中，Al-Fe-Cr系准晶合金的成本低，准晶可成形性好。因此本文以LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料为研究对象，重点研究了LPBF制备过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化规律和强化机制，以期为获得LPBF成形高性能Al合金提供理论依据和设计支持。

研究内容

采用LPBF工艺制备Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料的最佳能量密度范围为150~250 J/mm³。在最优工艺参数下，LPBF成形的Al-Fe-Cr合金具有快速凝固诱导产生的多级异构组织复合结构。成形试样的致密度高，可达99.8%±0.08%，且无明显的缺陷。从宏观上看，该合金由沿熔池边界外延生长的柱状晶构成，熔池边界准晶富集，熔池内部准晶贫瘠。从单一熔池的角度来看，SLM成形的样品呈现出明显复合结构：熔池内部的激光熔合区（LFZ）；熔池边界（MPB）和热影响区（HAZ）。在LFZ观察到大小为100至300 nm球形Al-Fe-Cr准晶颗粒，这些细小的准晶颗粒被包围在Al基体构成的尺寸细小的胞状结构内。粗大的花瓣状/球形准晶颗粒和矩形的θ-Al₁₃(Fe, Cr)_2-4颗粒分布在MPB。此外，HAZ呈现出弥散分布在α-Al基体中的尺寸细小的球形、矩形或无定形颗粒的微观组织。这种异质结构的形成可以归因于LPBF加工过程中单个熔池内的温度梯度和凝固速度的差异。

图1 LPBF成形试样的熔池形貌与非均匀分布组织。

图2 LPBF成形试样的熔池不同区域的相分析

图3 （a）LPBF成形Al-Fe-Cr合金制备过程示意图与计算凝固曲线（b）单个熔池的典型组织形貌示意图和（c-e）SLM快速凝固过程中Al-Fe-Cr合金的组织演化示意图

LPBF成形Al-Fe-Cr准晶增强Al基复合材料表现出较高的抗拉强度。沉积态成形样品的静态力学性能分析结果显示：该合金的抗拉强度为530.80 ± 3.19 MPa，屈服强度为395.06 ± 6.44 MPa，试样的延伸率为4.16% ± 0.38%。LPBF工艺成形Al-Fe-Cr合金的宏微观组织特征与拉伸力学行为间关系的研究结果表明：由于成形试样中二十面体纳米准晶颗粒带来的Orowan强化以及成形试样内部位错强化的共同贡献，该合金表现出较高的抗拉强度和屈服强度。由样品的断口分析结果可知，其断裂失效行为是韧-脆混合断裂机制。

图 4 LPBF成形试样的应力-应变曲线，性能对比与断口分析

总结

本文以LPBF成形准晶增强Al-Fe-Cr 合金为研究对象，对该合金的组织特征和力学性能进行了表征。明晰了异构组织的构成，并深入讨论了纳米准晶颗粒的相变与基体之间的位相关系，厘清了LPBF成形Al-Fe-Cr合金的组织演化机制，研究了成形试样的拉伸性能，揭示了准晶颗粒对其力学性能的强化机制，为后续开发适用于LPBF技术的高性能铝合金提供了新视角。

作者简介

康楠，长聘副教授，博导，巴黎高科国立高等工艺与技术学院（Arts et Metiers Paristech），MSMP实验室增材制造方向负责人。博士毕业于法国贝尔福蒙贝利亚技术大学（2016）。主持国自然，航发产学研和Grand-Est智能联创平台、CEFIPRA 等国内外科研项目。以第一/通讯作者在Addit. Manuf., Composite Part B., JMST，Scripta等期刊发表SCI论文70余篇，ESI高被引4篇，IF>10论文14篇。申请国家发明，PCT，法国，美国等专利十余项。《Advanced Powder Materials》《MRL》《JMST》《Frontiers》系列等期刊编委/编辑，5th ICAM-BM (Young Investigator award) ，MRL（special contribution award)。

近年来，负责多项产业化项目，研发具有完全自主知识产权耐高温高强韧铝合金，解决了铝合金在高温力学性能急剧下降的行业难题，相关指标已处于国际先进水平，实现了大尺寸零构件的直接制造。提出了Al-Mg-Sc-Zr 高强铝合金的新型3D打印技术，将产品的综合性能以及工艺稳定性达到行业领先位置，显著地解决了该材料行业内良品率低的顽疾，该技术生产的产品已实现批量化制造与交付。团队依托法国东部大区智能联创平台，拥有金属增材制造设备3台，非金属3d打印设备3台，4d/5d X射线形貌分析，1500吨产业压力铸造等装备和表征手段。

文章信息

Nan Kang, Yuan Zhang, Mohamed EL. Mansori, Xin Lin, Laser powder bed fusion of a novel high strength quasicrystalline Al–Fe–Cr reinforced Al matrix composite, Adv. Powder Mater. 2023, 2,100108.

doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100108

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来源：增材制造硕博联盟