西工大：大幅提升3D打印铝基复合材料拉伸强度和延展性

日前，西北工业大学联合日本大阪大学在激光选区熔化（SLM）制备铝基复合材料领域取得新突破，采用SiC纳米颗粒增强铝基材料，在SLM过程中原位生成纳米Si颗粒和Al4C3纳米相，使得材料延展性和强度有了大幅度同步提升。相关研究成果发表于材料科学领域顶级期刊《Materials Science and Engineering: A》（中科院1区Top期刊），西北工业大学的李金山和陈彪教授为论文通讯作者，日本大阪大学焊接研究所的研究人员参与工作。这项研究工作得到了国家自然科学基金(52071269;51901183)和重庆自然科学基金(CSTB2022NSCQ-MSX0945;cstc2021jcyj-jqX0032)等项目的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144552

铝及其合金因其低成本、低密度、高比强度、高导热性和优异的耐腐蚀性而备受关注，是用途最多、最经济和最具吸引力的金属材料。截至目前，铝合金在结构材料中的应用量仅次于钢。与钢相比它的强度相对较低，因此铝合金的应用被大幅限制。

通过添加强化颗粒制备复合材料是提高铝合金强度最有效的方法之一。然而大多研究表明通过添加颗粒强化铝合金通常会造成延展性的严重降低，限制了高性能铝基复合材料的发展。铝基复合材料延展性的降低诱因很多，如强化团聚、强化相与基体结合不良等。然而，在铝及铝合金中增强颗粒主要位于晶界和初级粉末边界，这加剧了应力集中并导致在变形过程中的早期断裂。

为避免这一问题，研究者提出在选区激光熔化（SLM）过程中通过化学反应原位实现铝基复合材料中纳米增强相在材料晶粒内部的强化。因此研究人员选择SiC纳米颗粒作为增强材料，以促进它和Al的原位反应。对复合材料的微观结构和力学性能与放电等离子烧结（SPS）制备的复合材料进行对比。

实验原料采用SiC纳米颗粒（60nm）和Al粉末（15-53μm），按照不同的体积比例进行均匀混合，SiC含量分别为0.2%、0.4%、0.6%。分别采用SLM和SPS工艺进行样品制备。SPS制备样品是在5Pa的真空状态下进行，烧结温度为530℃，30分钟的保温时间。同时采用相同的工艺参数分别制备了纯Al样品。对它们进行拉伸性能及微观组织的测试。图1是SPS和SLM制备的SiC/Al复合材料示意图以及变形过程中微观组织结构的形成。

图1 SPS和SLM制备SiC/Al复合材料示意图以及变形过程中微观组织结构形成和与位错相互作用方面的差异

研究结果发现通过SPS制备的复合材料中只有一个SiC峰。主要因为SPS是固相烧结，因此SiC纳米颗粒保留在SiC/Al复合材料中。相比之下SLM制备的复合材料中没有SiC峰，相反存在Si峰和Al4C3峰，因此在SLM过程中引入的SiC纳米颗粒与熔池中的Al反应生成Si和Al4C3。TEM表明SiC纳米颗粒保留在SPS-0.6SiC/Al的原始粉末边界，尺寸与原始SiC纳米颗粒的尺寸相似。SLM-0.6SiC/Al中的Al晶粒内部存在大量纳米颗粒（~28nm）。根据HRTEM图像中显示的特征晶格条纹，这些纳米颗粒是Si颗粒。此外还存在一些棒状结构，通过快速傅里叶变换表明为Al4C3纳米相，TEM分析与拉曼光谱分析结果一致（图2和3）。

图2 通过SLM和SPS制备的0.6SiC/Al复合材料的拉曼光谱

SPS制备的样品呈现等轴晶粒，晶粒尺寸大致相似，这在SPS材料中很常见（图3a-d）。相比之下，SLM样品表现出完全不同的晶粒形貌（图3e-n）。在垂直于建造方向的表面，SLM-Al的微观结构由许多环形特征组成，随着SiC添加量的增加，这些特征越来越不明显。添加的SiC纳米颗粒扰乱了凝固特性，因此抑制了环状组织形成。另一方面，所有SLM样品表面都呈现与打印方向平行的柱状晶粒。值得注意的是由于与打印方向平行的表面具有拉长的晶粒形貌，因此这个平面的平均晶粒尺寸难以统计，垂直于打印方向的表面平均晶粒尺寸大致相似约9~10μm（图3）。

图3 通过（a-d）SPS和（e-n）SLM制备的样品EBSD图像：（a，e，j）纯铝；（b、f、k）0.2SiC/Al；（c、g、m）0.4SiC/Al；（d，h，n）0.6SiC/Al。GS代表晶粒尺寸

图4 （a-b）SPS和（c-f）SLM制备的0.6SiC/Al复合材料TEM图像，（b，d）分别为a和c中黄色方框中的HRTEM图像。（f）e中黄色方框中的快速傅里叶变换（FFT）图像。PPB代表原始粉末边界

SiC/Al复合材料和纯铝的拉伸应力-应变曲线表明了SPS样品比SLM样品表现出更好的延展性。通过SPS制备的样品随着强度的提升延展性呈现下降趋势。而通过SLM制备的SiC/Al复合材料中不存在这种关系，强度和延展性都随着SiC增强相数量的增加而增加。以SLM-0.6SiC/Al为例，与SLM-Al相比，强度和延性分别提高了53%和19%。另一方面，SPS-0.6SiC/Al的强化效果仅为13%，并且延展性降低了30%。总的来说与SPS工艺相比，SLM制备的复合材料中纳米增强相的引入不仅提升了材料的延展性，而且提供了更高的强化效果（图5）。这项研究工作与已发表的研究工作相比，强化效率得到大幅度提升，其中空心符号和实心符号分别表示用陶瓷颗粒和纳米碳材料增强的铝基复合材料（图6）。

图5 （a）SPS和（b）SLM制备样品的拉伸应力-应变曲线

图6 这项工作与已发表工作的强化效率比较，HE、HP、HPT、HR分别代表热挤压、热压、高压扭转和热轧

总之在SLM制备SiC/Al复合材料过程中，SiC纳米颗粒在熔池中与Al反应，原位生成纳米相（Si和Al4C3）。生成的Si和Al4C3都位于Al晶粒内部，这些晶粒内的纳米相不仅有效地增强复合材料强度，而且赋予复合材料更高的延展性。与SLM制备纯铝相比，SLM-0.6SiC/Al的强度强化效果可以提升53%，延展性提升19%。这项研究为避免铝基复合材料的延展性降低提供了一种新的策略。

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