导读：晶粒细化是增材制造领域突破高强度铝合金固有热撕裂性能瓶颈的关键。在Al-Zn-Mg-Cu合金激光粉床熔合(LPBF)的过程中，本文采用非均相形核、溶质驱动生长约束和纳米粒子诱导生长约束等协同细化策略来控制合金的微观组织。在LPBF中加入TiC和TiH2粒子所制备出的无裂纹的Al-Zn-Mg-Cu合金中，晶粒明显细化。原位L1 2 -Al 3产生钛颗粒，促进了异相成核；添加 的Ti 溶质限制了晶粒生长；而引入的 TiC 纳米粒子 (NPs) 则提高了异质成核位点的密度并在物理上阻止了晶粒生长。

Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) 系列高强度铝合金因其优异的综合性能被广泛应用于航空航天工业，但传统的锻造工艺越来越难以满足日益增长的复杂需求部分。作为一种增材制造技术， LPBF具有广泛的设计自由度和加工灵活性。因此，由 LPBF 制造的 Al-Zn-Mg-Cu 合金受到更多关注，然而，与大多数 AM 金属材料相似，由于沿构建方向的外延晶粒生长，Al-Zn-Mg-Cu 合金中会出现粗大的柱状晶粒。在大多数情况下，柱状晶粒生长是不可取的，因为它可能导致微观结构的热裂裂纹和各向异性。解决这个问题的一个有效方法是通过孕育控制凝固组织以获得细等轴晶粒。

最近的理论发展普遍认为，除了有效的成核剂之外，具有良好分离能力的溶质对于晶粒细化也是至关重要的，每溶质控制生长限制理论。溶质元素可以在生长界面之前形成一个结构过冷 (CS) 区，从而激活存在的有效成核剂并限制枝晶生长 。钛作为一种强偏析元素，对α-Al晶粒长大有很强的限制作用。然而，迄今为止，尚未充分研究添加 Ti 对 LPBF 加工的 7xxx 合金晶粒细化的影响。在过去对 LPBF 加工的 7xxx 合金的研究中，原位Al 3 M成核剂上初生 α-Al 晶粒的异质形核主导了 Sc 和/或 Zr 改性 7xxx 合金的晶粒细化，因为提供了生长限制效应与 Ti 引入相比，添加 Sc 和 Zr 是微不足道的。

华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心研究人员们通过 LPBF 制备了具有提高的拉伸强度和塑性的Al-Zn-Mg-Cu 合金。研究者们成功消除了 (1 wt.%) TiC- 和 (0.8 wt.%) TiH 2改性 Al-Zn-Mg-Cu 合金中的柱状晶粒和热裂纹，这带来了优异性能——在 T6 条件下，极限抗拉强度 (UTS) 为 593 ±24 Mpa，屈服强度 (YS) 为 485 ± 41 MPa，伸长率 (EL) 为 10.0% ± 2.5%。Al-Zn-Mg-Cu 合金的 LPBF 加工性能通过包括同时添加 TiC 和 TiH 2的协同晶粒细化策略而提高。这项研究为提高高强度铝合金LPBF过程中晶粒微观组织和力学性能提供了新的思路。

相关研究成果以题为“Enhanced strength and ductility in Al-Zn-Mg-Cu alloys fabricated by laser powder bed fusion using a synergistic grain-refining strategy”发表在材料学顶刊Journal of Materials Science & Technology 上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.12.078

图1 LPBF加工Al-Zn-Mg-Cu合金面临的挑战示意图（a）和用于凝固结构控制的协同晶粒精炼策略（b-d）

图2 Al-Zn-Mg-Cu合金粉末（a）、TiC NPs（b）、TiH2颗粒（c）和功能化粉末（d）的扫描电镜照片

图3 铝锌镁铜合金（a）、A1样品（b）、A2样品（c）、B0样品（d）、B1样品（e）和B2样品（f）的OM图像。（g） 竣工样品的裂纹密度和相对密度。AB1样品（h）和AB2样品（i）的OM图像

图 4。SEM 图像显示了完工合金 XOZ 横截面的典型晶粒微观结构

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

图6 竣工样品的XRD图谱：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2样品，(c)B2样品和(d)AB2样品

图6显示了竣工合金的XRD图谱。未改性和改性Al-Zn-Mg-Cu合金均由α-Al和MgZn2相组成。此外，在A2和AB2样品的XRD光谱中也发现了TiC相的峰。在任何样品中均未检测到其他相，例如TiH2和Al3Ti相。

图7 SEM图像显示了经过NaOH试剂蚀刻后的建成样品的典型相形貌，并嵌入了相应立方体颗粒的EDS结果：(a)Al-Zn-Mg-Cu合金，(b)A2样品，(c)B2样品，(d)AB2样品。

图8 竣工A2样品的TEM结果

图9 竣工B2样品的TEM结果

图10 竣工AB2样品的TEM结果

图11 LPBF加工合金的机械性能

TiC和TiH 2的结合同时提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的强度和延展性。在 T6 条件下，AB2 样品表现出优异的机械性能，UTS 为 593 ± 24 MPa，YS 为 485 ± 41 MPa，EL 为 10.0% ± 2.5%。这些结果提供了有利的证据，证明 7xxx 系列高强度铝合金的机械性能可以通过 LPBF 过程中的协同晶粒细化策略得到改善。并且，尽管断裂表面有一些孔隙，AB2 样品仍然表现出良好的强度和延展性。力学性能的提高主要是由晶粒细化和热裂纹抑制引起的。