天津大学通过增材制造原位合成激光诱导纳米晶须以获得高强度铝合金
天津大学的研究人员在Acta Materialia期刊上发表文章Harnessing laser-induced in-situ nanowhiskers for high-strength aluminum alloys via additive manufacturing。
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论文导读
通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备轻质高强铝合金，长期以来过度依赖于钪、锆等昂贵的金属合金元素来实现高强度，这严重阻碍了其在工业上的广泛应用。虽然添加低成本颗粒物（如TiB2、TiC等）能在一定程度上细化晶粒并提高强度，但这种外加颗粒的策略往往面临着颗粒团聚、分散不均以及界面结合不良等挑战，导致微观结构不均匀和机械性能受损。为了解决这一问题，该研究提出了一种无需昂贵元素的创新策略，利用LPBF加工过程中固有的极端温度梯度和激光诱导的反冲压力，在AA2024铝合金基体中原位合成致密且均匀分散的MgAlB4纳米晶须。该文旨在通过原位生成一维纳米晶须，消除凝固裂纹和孔隙以实现近乎全致密化，并利用晶须的高长径比及强界面结合显著提升合金的强度与延展性，从而突破铝合金增材制造中长期存在的性能与成本之间的权衡壁垒。
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全文概述
该研究针对LPBF成型商业高强铝合金中常见的粗大柱状晶、严重热裂纹和高孔隙率等固有缺陷，提出了一种原位合成纳米晶须强化铝合金的新路径。通过在AA2024粉末中添加微量的无定形硼粉，利用LPBF过程中的快速冷却和高达40 MPa的熔池反冲压力，成功在铝基体中原位生成了直径仅为5-15 nm、长径比超过20的MgAlB4纳米晶须。这些均匀分散的一维晶须作为异质形核位点，促使晶粒从数十μm宽的粗大柱状晶转变为平均尺寸约1.3至1.5 μm的超细等轴晶，彻底消除了凝固裂纹，使合金致密度达到了99.991%。在力学机制方面，晶须的准连续网络结构不仅促进了位错的存储与增殖，还允许位错在垂直于晶须轴向的方向上绕过，有效缓解了应力集中。实验表明，该合金的极限抗拉强度（UTS）达到了约610 MPa，均匀延伸率为8.0%，同时在150℃至250℃的高温下也表现出卓越的耐热机械性能。该研究为通过增材制造开发低成本、高性能铝合金提供了具有潜力的可扩展方案。
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图文解析
图1展示了MgAlB4w/AA2024复合材料的制备过程及其内部缺陷的精准表征。研究通过三维机械分散法将非晶硼粉均匀包裹在AA2024粉末表面后进行LPBF打印。Nano-CT的三维扫描对比清晰地显示，未经处理的LPBF成型AA2024合金内部布满了沿构建方向延伸的宏观裂纹和大孔隙，缺陷体积分数高达4.698%。而原位合成MgAlB4纳米晶须后，合金内部的裂纹被完全消除，仅残留极少量微小球形气孔，实现了99.991%的近全致密化。
图1. LPBF成型合金的制备过程及缺陷表征：(a)制造工艺流程示意图；(b-g)Nano-CT分析显示LPBF成型AA2024和MgAlB4w/AA2024内部缺陷的空间分布与统计数据。
图2展示了AA2024和MgAlB4w/AA2024的EBSD表征。结果表明，原始的LPBF成型AA2024主要由粗大的柱状晶组成（平均晶粒尺寸18.2 μm），并带有强烈的(001)织构。相比之下，引入纳米晶须后的MgAlB4w/AA2024合金微观结构发生了彻底转变，形成了平均尺寸仅为1.5 μm的随机取向等轴晶。这种超过十倍的晶粒细化效果，归功于原位生成的纳米晶须在凝固过程中提供了异质形核位点，并有效抑制了外延柱状晶的生长。
图2. 沿构建方向的EBSD表征：(a-d)AA2024和(e-h)MgAlB4w/AA2024的测试结果。包括反极图(IPF)、晶粒尺寸统计、KAM值分布及极图(PF)。
图3展示了该合金在室温与高温下的力学表现。室温拉伸测试中，MgAlB4w/AA2024合金的UTS高达615 MPa，均匀延伸率达到8.0%，在综合性能上超越了目前文献中报道的绝大多数LPBF成型铝硅合金、2xxx系及7xxx系铝合金。此外，得益于一维硼化物晶须出色的热稳定性，该合金在150℃、200℃和250℃下的UTS分别保持在482 MPa、445 MPa和286 MPa，展现了出众的高温承载能力。
图3. 力学性能综合对比：(a)室温工程拉伸应力-应变曲线；(b)本研究成果与其他LPBF铝合金的室温UTS和UE对比图；(c)合金在150℃至300℃高温下的拉伸曲线；(d)不同温度下的UTS表现对比。
图4展示了LPBF加工独特物理场下纳米晶须的原位形核生长机制。在激光扫描的瞬态过程中，金属熔池经历了极高的升温与冷却速率，产生了巨大的热力学过冷度。同时，金属气化产生的反冲压力在熔池中均匀传递，维持在约40 MPa的水平。热力学模型证实，这种极端过冷度与高压力的双场耦合协同作用，极大地降低了MgAlB4原位形核的临界能量势垒，从而催生了纳米级直径、超高密度的晶须形核。
图4. MgAlB4晶须的原位形核和生长机制：(a)熔池凝固过程中的形核示意图；(b)熔池的温度场模拟；(c)熔池中心温度随时间的演变；(d)熔池内反冲压力随温度的变化趋势及高速相机捕捉的飞溅现象。
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结论
该研究成功开发了一种具有成本效益的高性能铝合金。通过利用LPBF工艺中特有的极端冷却速率和反冲压力双重驱动力，在商业AA2024基体中成功原位合成了高密度、均匀分布的一维MgAlB4纳米晶须。这些纳米晶须不仅作为强效的形核剂，将易产生裂纹的粗大柱状晶转变为无缺陷的超细等轴晶，实现了合金近乎100%的致密化；同时，晶须网络将晶粒细分为更微小的变形域，在塑性变形中通过位错的捕获、钉扎与增殖，提供了持续的应变硬化能力。最终，该复合材料不仅斩获了超过600 MPa的极限拉伸强度和优良的延展性，还具备了出众的耐高温稳定性。该研究为航空航天等领域利用增材制造技术低成本开发高强轻质合金提供了坚实的理论依据与工程指导。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121987