【南京理工大学&新加坡南洋理工大学&香港城市大学等论文速递】TiC 颗粒改性提升激光选区熔化 Al-Ce-Ni 合金高温稳定性、消除中温塑性谷

文章核心亮点

1. 双难题同步攻克
   仅通过 5 wt.% TiC 颗粒掺杂，同时解决 LPBF Al-Ce-Ni 合金两大行业瓶颈 —— 高温长期时效软化、250–350℃中温塑性骤降，兼顾高温强度与塑性。
2. 熔池尺度组织均匀化新机制
   TiC 兼具异质形核与溶质释放双重作用，诱导柱状晶→等轴晶转变，大幅缩小熔池内部（MPI）、熔池边界（MPB）、热影响区（HAZ）之间的组织与性能差异，消除原始合金 HAZ 优先失效的先天缺陷。
3. 新型耐热稳定相 Al₂₀Ti₂Ce
   TiC 与铝熔体发生原位反应生成 Al₂₀Ti₂Ce 三元相，Ti、Ce 元素在铝中扩散速率极低，该相高温下几乎不粗化，长期维持弥散强化效果。
4. 阐明中温塑性谷完整机理
   原始合金塑性谷源于 HAZ 共晶网络破碎、强度偏低，应变集中诱发孔洞快速连通断裂；TiC 改性后失效路径切换为 TiC 颗粒界面渐进孔洞演化，规避局部灾难性断裂。
5. 完备多尺度表征支撑
   综合采用 SEM、EBSD、TEM、STEM、APT 原子探针、高温拉伸、硬度时效测试、断口分析，从原子尺度到宏观力学性能完整验证机理。
6. 工程应用价值突出
   面向航空、汽车 250–400℃轻量化耐热铝构件，提供低成本陶瓷颗粒改性增材制造工艺路线，可拓展至其他 Al-Ce 系共晶合金体系。

图 1 LPBF 从粉末到成品零件全工艺流程示意图

(a) LPBF 成形原理示意图；(b) 粉末形貌：(b₁) AlCeNi 合金粉末；(b₂) TiC/AlCeNi 复合粉末；(b₃) 局部放大图，白色箭头为附着在 AlCeNi 粉末表面的 TiC 颗粒；(b₄) 对应元素面扫描分布图；(c) 层间 67° 旋转扫描策略示意图；(d) 方块试样、拉伸试样、压缩试样在基板上的布置示意图；(e) 打印完成的实体试样实拍图

图 2 打印态 AlCeNi 合金微观组织

(a,a₁) 晶粒取向 EBSD 图；(b) 覆盖熔池内部 MPI、熔池边界 MPB、热影响区 HAZ 的 SEM 图；(c–e) 分别为 MPI、MPB、HAZ 区域放大形貌；(f) 包含 MPI、MPB、HAZ 区域的高角环形暗场 STEM 图；(g–i) 对应三区域放大图及配套 EDS 元素面扫 (g₁–g₃ Ce/Ni；h₁–h₃ Ce/Ni；i₁–i₃ Ce/Ni)；(j) MPI 共晶网络高分辨 TEM 图，白色虚线区分不同物相；(k,l) 图 j 方框区域的 FFT 衍射斑，分别对应 Al₁₁Ce₃、Al₉Ni₂；(m) MPB 区域 Al₁₁Ce₃颗粒明场 TEM 图；(m₁) 圆圈区域选区电子衍射斑；绿色箭头标注晶内 Al₁₁Ce₃相

图 3 原子探针 APT 三维重构与基体溶质含量统计

(a) AlCeNi 合金 MPI 区域 APT 三维重构，98 at.% Al 等势面，箭头标注铝基体；(b) TiC/AlCeNi 合金 MPI 区域 APT 三维重构；(c) α-Al 基体中 Ce、Ni、Ti 溶质原子含量柱状对比图（蓝色 AlCeNi，红色 TiC/AlCeNi）

图 4 打印态 TiC/AlCeNi 复合材料微观组织

(a,a₁) 晶粒取向 EBSD 图，黄色箭头指示 TiC 颗粒；(b) 覆盖 MPI、MPB、HAZ 的 SEM 全貌；(c–e) 三区域局部放大 SEM 图；(f) 包含三类区域的 HAADF-STEM 图；(g–i) 分区放大图与配套 EDS 面扫 (g₁–g₄ Ce/Ni/Ti；h₁–h₄ Ce/Ni/Ti；i₁–i₄ Ce/Ni/Ti)；(j) Al₂₀Ti₂Ce 相 HAADF 图；(j₁–j₄) Ce、Ni、Ti、C 元素面扫；(k) Al₂₀Ti₂Ce 高分辨原子排布图；(k₁) FFT 衍射斑；(k₂–k₆) Al、Ce、Ti 复合元素原子面扫

图 5 不同热暴露温度 / 时间下硬度与硬度保持率演化曲线

(a) AlCeNi 合金硬度随保温时间变化曲线；(b) TiC/AlCeNi 复合材料硬度随保温时间变化曲线；(c) AlCeNi 硬度保持率变化曲线；(d) TiC/AlCeNi 硬度保持率变化曲线；不同符号代表 300/350/400/450℃四种时效温度

图 6 热暴露后 AlCeNi 合金熔池内部 MPI 微观组织演化

(a–d) 300℃/4h、350℃/4h、400℃/4h、400℃/192h 时效后 SEM 全貌；(a₁–d₁) 方框区域放大图，橙色箭头为共晶网络破碎，青色箭头为晶内析出相；(e) 400℃/4h HAADF 图，区分晶间、晶内析出相，配套 Ce/Ni 元素面扫 (e₁,e₂)；(f–i) 晶间 Al₁₁Ce₃、Al₉Ni₂与晶内析出相高分辨 TEM 及对应 FFT；(j) 400℃/192h 晶间组织形貌，配套 EDS 面扫 (j₁,j₂)；(k) Al₃Ni 相放大图及 SAED 衍射斑；(l) 晶内组织形貌与元素面扫 (l₁,l₂)；(m) Al₃Ni 高分辨 TEM 与 FFT；黄色虚线标记晶界

图 7 热暴露后 TiC/AlCeNi 复合材料熔池内部 MPI 微观组织演化

(a–d) 300℃/4h、350℃/4h、400℃/4h、400℃/192h 时效 SEM 全貌；(a₁–d₁) 局部放大形貌；(c₁) 黄色虚线标记晶界，橙色箭头指示共晶网络球化破碎；(e) 400℃/192h HAADF 图，配套 Ce/Ni/Ti 元素面扫 (e₁–e₃)；(f–h) 分别为 Al₁₁Ce₃、Al₉Ni₂、Al₃Ni 放大形貌，插图为对应选区衍射斑

图 8 高低温拉伸力学性能曲线与伸长率变化

(a) AlCeNi 与 TiC/AlCeNi 从室温至 400℃工程应力 - 应变曲线，插图为 TiC/AlCeNi 室温拉伸曲线；(b) 断裂伸长率 εf 随温度变化曲线，红色椭圆标注 AlCeNi 合金中温塑性谷区间

图 9 室温、200℃、300℃、400℃拉伸断口高低倍 SEM 形貌

上排 (a–d) AlCeNi 合金断口；下排 (e–h) TiC/AlCeNi 复合材料断口；(a₁–d₁、h₁) 韧窝内金属间颗粒放大图；黄色虚线圈出 TiC 颗粒断裂 / 界面孔洞区域；加载方向沿 x 轴，成形堆积方向为 z 轴

图 10 TiC 提升合金热稳定性机理示意图

展示高温时效过程中 MPI 晶粒内部组织演化全过程，对比 AlCeNi 与 TiC/AlCeNi 两相析出、粗化行为差异；右侧附图为 400℃下两种合金硬度随时间衰减对比曲线；图例标注共晶网络、晶界、Al₁₁Ce₃、Al₉Ni₂、Al₃Ni、耐粗化 Al₂₀Ti₂Ce 相

图 11 拉伸断裂纵截面 SEM 形貌（近断口区域）

上排 (a–d) AlCeNi 合金；下排 (e–h) TiC/AlCeNi 复合材料；测试温度：室温、200℃、300℃、400℃；拉伸加载方向水平；红色方框为放大观察区域；(a₁–d₁) AlCeNi 热影响区 HAZ 开裂形貌；(e₁–h₁) TiC 颗粒开裂 / 颗粒界面孔洞形核形貌

图 12 两种合金随温度变化的断裂机理示意图

(a) AlCeNi：熔池尺度组织不均，250–350℃HAZ 优先开裂引发塑性谷；(b) TiC/AlCeNi：熔池组织均匀化，失效模式随温度平稳过渡，无塑性谷；插图为不同温度下裂纹萌生扩展路径示意图，竖直为堆积方向，水平为拉伸加载方向；图例区分共晶网络、金属间颗粒、TiC 陶瓷颗粒

图 13 应变速率敏感性 SRS 与断裂伸长率随温度变化对比曲线

(a) AlCeNi 合金：黑色曲线为 0.05、0.1 真应变下 SRS，蓝色星号为断裂伸长率；(b) TiC/AlCeNi 复合材料：黑色曲线为 0.05、0.1 真应变下 SRS，蓝色星号为断裂伸长率