吉林大學陳超研究員團隊：納米顆粒與亞穩(wěn)相析出協(xié)同強化電弧定向能量沉積鋁基復合材料 | AMF論文推薦

引用論文

Guorui Sun, Wenbo Du, Wenlong Li, Xinye Li, Xiaohui Zhao, Chao Chen. Synergistic Strengthening of Arc-Directed EnergyDeposited Aluminum Composites via Nanoparticles and Metastable Phase Precipitation. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200252.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200252.

文章鏈接：

1研究背景及目的

高強鋁合金在高端制造業(yè)中至關重要，但傳統(tǒng)電弧定向能量沉積（arc-DED）技術制備的鋁基復合材料存在元素偏析、粗大柱狀晶等問題，導致力學性能受限。本研究旨在通過引入TiC納米顆粒并結合定制化熱處理工藝，協(xié)同調(diào)控微觀組織（納米顆粒+亞穩(wěn)相η' + GP區(qū)），解決偏析問題并提升材料強度與高溫穩(wěn)定性，為開發(fā)高比強度、高熱穩(wěn)定性的鋁基復合材料提供新思路。

2論文亮點

三重協(xié)同強化：TiC納米顆粒、η'亞穩(wěn)相（MgZn2型）與GP區(qū)形成復合增強相。

性能突破：室溫抗拉強度達581.3 MPa（較傳統(tǒng)DED構件提升164%），200℃下保持74%強度，延伸率同步提升9.43%。

工藝優(yōu)化：短時固溶+時效熱處理顯著抑制元素偏析，實現(xiàn)納米析出相均勻分布。強化機理：揭示細晶強化、Orowan位錯繞過及位錯剪切協(xié)同作用機制。

圖1 沉積狀態(tài)和熱處理狀態(tài)樣品的SEM和EDS圖譜。（a、b）沉積狀態(tài)，（c、d）SAT，（e、f）DAT，（g）沉積狀態(tài)的EDS結果，（h）SAT樣品的EDS結果，（i）DAT樣品的EDS結果

圖2 沉積態(tài)和熱處理態(tài)的透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像。 (a, d, g) TEM圖像，(b, e, h) HR-TEM圖像，(c, f, i) 快速傅里葉變換（FFT）圖像。

圖3 樣品微觀結構演變機制：（a–c）TiC顆粒的異相成核過程；（d–f）熱處理前后強化相的析出過程

3試驗方法

材料制備：采用含1 wt% TiC納米顆粒（粒徑~600 nm）的Al-Zn-Mg-Cu合金焊絲，通過冷金屬過渡（CMT）機器人進行電弧DED，沉積60層。

工藝參數(shù)：送絲速度6.5 m/min，移動速度0.6 m/s，電流144 A，電壓16.4 V。

熱處理：470℃固溶處理后，分別進行單級時效（SAT：120℃）和雙級時效（DAT：120℃+165℃）。表征與測試：結合SEM、TEM、EBSD分析微觀組織；XRD鑒定物相；維氏硬度儀和萬能試驗機分別測試硬度及室溫/高溫（200℃）拉伸性能。

4結果

微觀組織：

TiC納米顆粒細化晶粒至~10 μm，促進等軸晶形成。

SAT處理后，η'亞穩(wěn)相（3.87 nm）與GP區(qū)（1.7×3.8 nm）高密度析出，與基體形成共格/半共格界面。

元素偏析顯著改善：沉積態(tài)GB處Cu含量達13.2 at%，熱處理后分布均勻。

力學性能：

SAT樣品：室溫抗拉強度581.3±11.7 MPa，延伸率5.34%。

高溫性能：200℃下抗拉強度保持431 MPa（74%室溫強度），延伸率提升至5.8%。

硬度：SAT樣品平均硬度>193 HV，較沉積態(tài)（76-83.5 HV）提升140%。

5結論

通過TiC納米顆粒添加與SAT熱處理協(xié)同作用：

(1) TiC促進異質形核，抑制晶粒生長，晶粒尺寸穩(wěn)定在~10 μm；

(2) 固溶+時效消除元素偏析，誘導高密度η'相與GP區(qū)析出；

(3) 三重強化機制（細晶強化、Orowan強化、位錯剪切）使室溫抗拉強度達581.3 MPa（提升164%），高溫性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)DED構件；(4) 裂紋擴展受TiC顆粒及納米析出相協(xié)同抑制，提升延展性。該策略為高強耐熱鋁基復合材料的設計提供新途徑。

6前景與應用

多尺度協(xié)同設計：結合納米顆粒（異質形核）+亞穩(wěn)相析出（GP區(qū)/η'）+晶界工程（CSL晶界調(diào)控），實現(xiàn)"細晶+析出+位錯"多級強化。

智能化工藝：開發(fā)在線監(jiān)測-反饋系統(tǒng)，實時調(diào)控熱輸入/冷卻速率，抑制偏析；結合機器學習優(yōu)化熱處理路徑。

新材料體系：拓展至高熵合金、陶瓷增強鈦基復合材料，探索超高溫（>500℃）服役潛力。

跨尺度模擬：結合相場法+分子動力學，預測納米顆粒/析出相演變規(guī)律。目標：實現(xiàn)強度>600 MPa、延伸率>8%的工業(yè)化應用組件，推動電弧DED在航天發(fā)動機部件、新能源汽車底盤等領域的落地。

關于團隊

作者介紹

陳超（通信作者），吉林大學材料科學與工程學院研究員/博導，入選全球前2%頂尖科學家、吉林省優(yōu)秀青年項目、省市級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)英才等榮譽。兼任日照經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)任管委會副主任、山西航天清華裝備-科學技術委員會特聘專家、可靠性工程分會委員、再制造工程分會委員、焊接分會青年委員等學術職務。主要圍繞先進復合焊接/增材及其修復再制造開展研究，獲批國家自然科學基金、國家部委、企業(yè)橫向課題等項目，科研項目經(jīng)費累計超過1200萬元。已在VPP、AMF、IJMS、JMP等國際學術期刊上發(fā)表高水平SCI論文100余篇，H因子24，授權/申請發(fā)明專利20余項。獲省部級科技進步一等獎1項（6/15）、黑龍江省優(yōu)秀博士論文、吉林省科創(chuàng)副總、黑龍江省青年教師多媒體課件制作大賽二等獎等榮譽。

近年團隊發(fā)表文章

[1]Li W, Jia C, Gao Y, et al. Arc change mechanism in Ultrasonic-Magnetic field coaxial hybrid GTAW[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025: 110407.

[2]Sun G, Du W, Chen C, et al. Hybrid additive manufacturing of ceramic/aluminum-titanium gradient composites via arc and laser cladding eutectic pools[J]. Virtual and Physical Prototy, 2024, 19(1): e2419950.

[3]Chen C, Li W, Wang S. Interlayer laser cladding SiC regulates microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V arc-directed energy deposited components[J]. Virtual and Physical Prototy, 2024, 19(1): e2399183.

[4]Chen C, Sun G, Ren B, et al. A novel heterogeneous particle addition method based on laser cladding hybrid wire arc additive manufacturing: improvement performance of stainless steel components[J]. Virtual and Physical Prototy, 2024, 19(1): e2397815.

[5]Chen C, Sun G, Du W, et al. Effect of equivalent heat input on WAAM Al-Si alloy[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2023, 238: 107831.

作 者：陳 超

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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