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

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

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