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背景：Al7075合金的“冰與火之歌”

作為航空航天領(lǐng)域的“明星材料”，Al7075鋁合金以524-572 MPa的抗拉強(qiáng)度和輕質(zhì)高強(qiáng)特性成為飛機(jī)框架、導(dǎo)彈部件等高應(yīng)力結(jié)構(gòu)的首選。然而，其高鋅、鎂含量的合金設(shè)計(jì)在賦予卓越強(qiáng)度的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的加工開裂傾向——傳統(tǒng)鑄造中熱裂紋難以避免，而新興的激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)更因快速凝固應(yīng)力集中加劇了這一問題。

技術(shù)困局：L-PBF打印Al7075的三大挑戰(zhàn)

裂紋敏感性強(qiáng)：合金凝固收縮率高，快速冷卻導(dǎo)致殘余應(yīng)力累積，沿晶界形成裂紋。

孔隙缺陷難控：熔池動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定易產(chǎn)生氣孔，降低材料致密度。

晶粒粗化：傳統(tǒng)工藝下柱狀晶貫穿多個(gè)熔池層，力學(xué)性能各向異性顯著。

破局之道：原位自生TiB2/Al3Ti增強(qiáng)相設(shè)計(jì)

近日，來(lái)自山東大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新性解決方案（論文發(fā)表于2024年11月），通過在Al7075粉末中引入鈦硼復(fù)合添加劑，利用L-PBF高溫熔池的瞬時(shí)反應(yīng)，原位生成TiB2顆粒和Al3Ti棒狀相，實(shí)現(xiàn)“增強(qiáng)+成核”雙重效應(yīng)：

?? 熱力學(xué)調(diào)控抑制裂紋 ??

TiB2優(yōu)先形成：在Al-Ti-B三元體系中，TiB2的生成吉布斯自由能最低，900-1032℃區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定析出。

Al3Ti輔助補(bǔ)強(qiáng)：過量鈦元素與鋁反應(yīng)生成Al3Ti相，其棒狀結(jié)構(gòu)可有效釘扎晶界，阻礙裂紋擴(kuò)展。

?? 晶粒細(xì)化改善韌性 ??

異質(zhì)成核核心：TiB2顆粒作為形核點(diǎn)，使熔池內(nèi)α-Al晶粒尺寸從傳統(tǒng)L-PBF的50-100 μm細(xì)化至10-20 μm。

等軸晶占比提升：增強(qiáng)相打破柱狀晶連續(xù)生長(zhǎng)，各向異性降低30%以上。

圖示：鈦硼添加劑在熔池中分解，TiB2優(yōu)先形核，Al3Ti通過固液界面反應(yīng)生長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：性能全面超越傳統(tǒng)工藝

研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化激光功率（300-350 W）、掃描速度（1000-1200 mm/s）等參數(shù)，獲得以下突破性數(shù)據(jù)：

抗拉強(qiáng)度：635 MPa（較傳統(tǒng)Al7075-T6提升18%）

延伸率：9.5%（比未增強(qiáng)L-PBF樣品提高200%）

致密度：99.2%（孔隙率<0.8%，達(dá)到航空級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）

裂紋完全消除：SEM未觀測(cè)到宏觀裂紋，疲勞壽命提升3倍

TEM顯示TiB2（納米圓片）與Al3Ti（棒狀）彌散分布

工業(yè)價(jià)值：航空航天制造的范式革新

該技術(shù)為高強(qiáng)鋁合金的增材制造開辟新路徑：

復(fù)雜構(gòu)件一體化：可打印飛機(jī)翼肋、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等傳統(tǒng)工藝難成形的薄壁結(jié)構(gòu)

材料利用率提升：粉末回收率>95%，較鍛造減材80%

后處理簡(jiǎn)化：原位增強(qiáng)相無(wú)需額外熱處理，縮短生產(chǎn)周期

未來(lái)展望：多材料設(shè)計(jì)與智能化工藝

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步探索：

梯度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)：通過局部成分調(diào)控實(shí)現(xiàn)性能分區(qū)

機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化：結(jié)合AI預(yù)測(cè)最佳工藝參數(shù)組合，減少試錯(cuò)成本

太空制造應(yīng)用：利用L-PBF在微重力環(huán)境下制備月球基地結(jié)構(gòu)件

結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)研究不僅攻克了Al7075合金增材制造的世界性難題，更揭示了原位反應(yīng)增強(qiáng)相設(shè)計(jì)在金屬3D打印中的普適性價(jià)值。隨著航空航天對(duì)輕量化需求的持續(xù)攀升，此類技術(shù)有望推動(dòng)新一輪結(jié)構(gòu)材料革命。

作為先進(jìn)粉體材料的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型企業(yè)，研倍新材料專注于各種納米合金粉、高性能陶瓷粉及多組元高熵合金粉的研發(fā)與生產(chǎn)，致力于為航空航天、新能源、電子器件、增材制造等前沿領(lǐng)域提供定制化材料解決方案。依托自主研發(fā)的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP）、氣霧化分級(jí)控制等核心技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)納米級(jí)粒徑精準(zhǔn)調(diào)控（50-500nm），確保粉體具備超高球形度、低氧含量與窄粒度分布特性，完美適配激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）等精密成型工藝需求。誠(chéng)邀各行業(yè)伙伴共拓高端制造新藍(lán)海。