導讀：晶粒細化是增材制造領域突破高強度鋁合金固有熱撕裂性能瓶頸的關鍵。在Al-Zn-Mg-Cu合金激光粉床熔合(LPBF)的過程中，本文采用非均相形核、溶質驅動生長約束和納米粒子誘導生長約束等協同細化策略來控制合金的微觀組織。在LPBF中加入TiC和TiH2粒子所制備出的無裂紋的Al-Zn-Mg-Cu合金中，晶粒明顯細化。原位L1 2 -Al 3產生鈦顆粒，促進了異相成核；添加 的Ti 溶質限制了晶粒生長；而引入的 TiC 納米粒子 (NPs) 則提高了異質成核位點的密度并在物理上阻止了晶粒生長。

Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) 系列高強度鋁合金因其優異的綜合性能被廣泛應用于航空航天工業，但傳統的鍛造工藝越來越難以滿足日益增長的復雜需求部分。作為一種增材制造技術， LPBF具有廣泛的設計自由度和加工靈活性。因此，由 LPBF 制造的 Al-Zn-Mg-Cu 合金受到更多關注，然而，與大多數 AM 金屬材料相似，由于沿構建方向的外延晶粒生長，Al-Zn-Mg-Cu 合金中會出現粗大的柱狀晶粒。在大多數情況下，柱狀晶粒生長是不可取的，因為它可能導致微觀結構的熱裂裂紋和各向異性。解決這個問題的一個有效方法是通過孕育控制凝固組織以獲得細等軸晶粒。

最近的理論發展普遍認為，除了有效的成核劑之外，具有良好分離能力的溶質對于晶粒細化也是至關重要的，每溶質控制生長限制理論。溶質元素可以在生長界面之前形成一個結構過冷 (CS) 區，從而激活存在的有效成核劑并限制枝晶生長 。鈦作為一種強偏析元素，對α-Al晶粒長大有很強的限制作用。然而，迄今為止，尚未充分研究添加 Ti 對 LPBF 加工的 7xxx 合金晶粒細化的影響。在過去對 LPBF 加工的 7xxx 合金的研究中，原位Al 3 M成核劑上初生 α-Al 晶粒的異質形核主導了 Sc 和/或 Zr 改性 7xxx 合金的晶粒細化，因為提供了生長限制效應與 Ti 引入相比，添加 Sc 和 Zr 是微不足道的。

華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心研究人員們通過 LPBF 制備了具有提高的拉伸強度和塑性的Al-Zn-Mg-Cu 合金。研究者們成功消除了 (1 wt.%) TiC- 和 (0.8 wt.%) TiH 2改性 Al-Zn-Mg-Cu 合金中的柱狀晶粒和熱裂紋，這帶來了優異性能——在 T6 條件下，極限抗拉強度 (UTS) 為 593 ±24 Mpa，屈服強度 (YS) 為 485 ± 41 MPa，伸長率 (EL) 為 10.0% ± 2.5%。Al-Zn-Mg-Cu 合金的 LPBF 加工性能通過包括同時添加 TiC 和 TiH 2的協同晶粒細化策略而提高。這項研究為提高高強度鋁合金LPBF過程中晶粒微觀組織和力學性能提供了新的思路。

相關研究成果以題為“Enhanced strength and ductility in Al-Zn-Mg-Cu alloys fabricated by laser powder bed fusion using a synergistic grain-refining strategy”發表在材料學頂刊Journal of Materials Science & Technology 上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.12.078

圖1 LPBF加工Al-Zn-Mg-Cu合金面臨的挑戰示意圖（a）和用于凝固結構控制的協同晶粒精煉策略（b-d）

圖2 Al-Zn-Mg-Cu合金粉末（a）、TiC NPs（b）、TiH2顆粒（c）和功能化粉末（d）的掃描電鏡照片

圖3 鋁鋅鎂銅合金（a）、A1樣品（b）、A2樣品（c）、B0樣品（d）、B1樣品（e）和B2樣品（f）的OM圖像。（g） 竣工樣品的裂紋密度和相對密度。AB1樣品（h）和AB2樣品（i）的OM圖像

圖 4。SEM 圖像顯示了完工合金 XOZ 橫截面的典型晶粒微觀結構

圖5 LPBF加工的Al-Zn-Mg-Cu合金(a, e)、A2 樣品(b, f)、B2 樣品(c, g)的IPF和相應的晶粒尺寸分布(a-d)和PF(e-h)和AB2樣品(d, h)

圖6 竣工樣品的XRD圖譜：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2樣品，(c)B2樣品和(d)AB2樣品

圖6顯示了竣工合金的XRD圖譜。未改性和改性Al-Zn-Mg-Cu合金均由α-Al和MgZn2相組成。此外，在A2和AB2樣品的XRD光譜中也發現了TiC相的峰。在任何樣品中均未檢測到其他相，例如TiH2和Al3Ti相。

圖7 SEM圖像顯示了經過NaOH試劑蝕刻后的建成樣品的典型相形貌，并嵌入了相應立方體顆粒的EDS結果：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2樣品，(c)B2樣品，(d)AB2樣品。

圖8 竣工A2樣品的TEM結果

圖9 竣工B2樣品的TEM結果

圖10 竣工AB2樣品的TEM結果

圖11 LPBF加工合金的機械性能

TiC和TiH 2的結合同時提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的強度和延展性。在 T6 條件下，AB2 樣品表現出優異的機械性能，UTS 為 593 ± 24 MPa，YS 為 485 ± 41 MPa，EL 為 10.0% ± 2.5%。這些結果提供了有利的證據，證明 7xxx 系列高強度鋁合金的機械性能可以通過 LPBF 過程中的協同晶粒細化策略得到改善。并且，盡管斷裂表面有一些孔隙，AB2 樣品仍然表現出良好的強度和延展性。力學性能的提高主要是由晶粒細化和熱裂紋抑制引起的。