近日，东莞理工学院研究团队利用微旷科技的X射线原位显微CT技术，揭示了应变场与孔隙演化对合金断裂机制的影响。该成果被发表在《Materials Science & Engineering A》，第一作者为东莞理工学院刘国峰老师，通讯作者为东莞理工学院李润霞教授。

论文标题: “Selective laser melting of bimodal-structured 2024Al alloy with enhanced strength-ductility synergy through duplex reinforcements”（基于双相增强体实现强塑性协同提升的双峰结构2024铝合金选择性激光熔化制备）

1. 研究摘要

为解决2024铝合金强塑性倒置、打印成形性差的行业难题，本研究提出了一种工艺更简便、成本更低的制备策略，将双峰结构与双相增强体相结合，通过选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术制备出晶粒显著细化、无裂纹的2024铝合金。研究结果表明，经TC4钛合金与二硼化钛（TiB₂）改性的2024铝合金，因凝固裂纹指数降低、凝固压降最小化以及显著的晶粒细化效应，展现出优异的抗裂性能。其协同晶粒细化机制源于：L1₂型有序结构的Al₃Ti颗粒为α-Al基体提供了非均匀形核核心、Ti溶质带来的生长限制效应，以及L1₂-Al₃Ti与TiB₂颗粒的双重生长限制作用。得益于裂纹抑制与双峰结构的协同效应，所制备的2024铝合金抗拉强度达443 MPa，屈服强度达377 MPa，断后伸长率为6.38%。其中，与粗晶、细晶的占比和尺寸相关的细晶强化，对合金优异的强塑性能贡献最大。合金的断裂源于孔隙聚合与大范围局部孔隙的共同作用。本研究为提升SLM制备高强铝合金的成形性与力学性能提供了全新的研究思路。

2. 研究材料与原位CT实验方法

2.1 研究材料

试验所用原材料为气雾化商用2024铝合金粉末。如图1所示，粉末粒径分布为15~53 μm，呈球形形貌。选用平均粒径50 nm的不规则TiB₂颗粒、粒径分布15~53 μm的球形TC4粉末作为双相增强体。制备了两种复合粉末：向2024 铝合金粉末中添加1 wt%的TiB₂颗粒，制得2024Al-S粉末；由1 wt% TiB₂颗粒、4 wt% TC4 粉末与95 wt% 2024铝合金粉末组成2024Al-D。制备立方体试样（10 mm×10 mm×10 mm）与狗骨形板状拉伸试样（横截面积 3×1.5 mm²，标距长度 15 mm）。原位拉伸CT试样横截面积 2×1.5 mm²，标距长度2 mm。

图1.粉末的扫描电镜图像、选择性激光熔化工艺示意图及激光反射率图：（a）2024铝合金粉末；（b）纳米TiB₂粉末；（c）TC4钛合金粉末；（d）2024Al-S复合粉末及铝、钛、硼、钒元素的对应分布；（e）2024Al-D复合粉末及铝、钛、硼、钒元素的对应分布；（f）选择性激光熔化工艺示意图；（g）选择性激光熔化成形试样及拉伸试样尺寸图；（h）各粉末的激光反射率

2.2 原位CT实验方法

本研究采用微旷科技XPloreVista 2000显微原位CT与WK-XFunct 6005型热力耦合原位台进行原位拉伸实验，通过获得的三维重构结果，开展DVC分析。原位拉伸实验采用0.2 mm/min的恒定拉伸加载速率，监测裂纹扩展与孔隙演化过程。CT扫描参数为：空间分辨率 2.553 μm，电压110 kV，电流110 μA，曝光时间0.85 s。

3. 原位CT研究结果

图2为2024Al-D合金拉伸变形过程中，基于原位CT断层扫描获得的应变场分布。屈服阶段，试样大部分区域呈绿色，表明应变分布均匀（图2(a)）；截面视图（XOZ与YOZ平面，图2(b-c)）显示，孔隙周围出现了局部应力集中（黄色区域）。进入塑性变形阶段后，试样中心区域出现两条明显的蓝色剪切带，中间为黄色过渡区，表明该区域出现了显著的应力集中（图2）。随着变形的持续进行，应力累积最终超过了孔隙的承载极限，裂纹在这些关键孔隙位置萌生，随后沿应力集中带扩展，最终导致试样断裂。

图2. 基于2024Al-D合金原位计算机断层扫描的拉伸变形过程应变场分布：（a）三维应变场；（b）XOZ平面截面应变场；（c）YOZ平面截面应变场

为阐明孔隙诱导的损伤机制，分析了原位拉伸变形过程中的孔隙演化规律（图3）。屈服后，小尺寸新生孔隙的数量增加（图3(c)），平均等效直径略有下降。

随着变形的进一步增加，应变集中区域（黄色虚线矩形标注）的孔隙密度显著升高，尤其是断裂位置附近（图3(g)中黑圈标注）的孔隙密度远高于其他区域（图3(e,g)），表明局部孔隙聚集对合金的强度与塑性具有显著影响。

图3(i)追踪了从断裂区域（图3(a)中红圈）提取的三个初始孔隙的演化过程。可见，变形过程中，初始孔隙的尺寸不断增大，同时小尺寸新生孔隙依附于初始孔隙生长（如孔隙②、③），因此三个孔隙的体积、面积与等效直径均随变形逐步增大。这些孔隙最终在变形过程中发生聚合与扩展，形成主导裂纹，导致合金最终断裂。

图3. 原位拉伸变形过程中孔隙三维重构模型的演化规律及统计结果：（a）初始阶段；（c）屈服阶段；（e）塑性变形阶段；（g）断裂阶段；（b、d、f、h）对应阶段孔隙等效直径与孔隙体积分数的统计结果；（i）断裂区域附近三个典型孔隙的演化过程

基于上述分析，本研究制备的2024Al-D合金的断裂机制，源于孔隙聚合与大范围局部孔隙的共同作用。

4. 研究结论

本研究开发了一种将双峰结构与双相增强体相结合的简便、低成本、可工程化的方法，通过SLM技术成功制备了高性能2024铝合金，主要结论如下：

1. 未改性的2024铝合金呈现粗大的柱状晶组织，具有强的<001>择优取向，仅伴随少量细晶；单一添加TiB₂改性后，合金中粗大柱状晶与细小等轴晶共存，晶粒尺寸降低；而TC4与TiB₂复合改性的2024铝合金，实现了完全的柱状晶向等轴晶转变，形成了最优的双峰结构，晶粒尺寸最小，缺陷体积分数最低，裂纹完全消除。

2. TC4与TiB₂改性的2024铝合金，因凝固裂纹指数降低、凝固压降最小化以及显著的晶粒细化，获得了优异的抗裂性能。原位生成的L1₂-Al₃Ti颗粒与α-Al基体形成完全共格界面，不仅为α-Al提供了高效的非均匀形核核心，还通过形成成分过冷区、激活凝固界面前沿的形核剂，限制了晶粒生长；此外，部分L1₂-Al₃Ti与引入的TiB₂增强体优先聚集在晶界处，通过阻碍晶粒生长进一步细化晶粒。

3. TC4与TiB₂改性的2024铝合金，抗拉强度达443 MPa，屈服强度达377 MPa，断后伸长率为6.38%，其优异的力学性能源于晶粒细化、裂纹抑制与双峰结构的协同作用。所形成的双峰结构，与熔池流动行为、内生L1₂-Al₃Ti与外生TiB₂增强体的分布密切相关。

4. 变形过程中，初始孔隙尺寸不断增大，新生小孔隙依附于初始孔隙生长，最终发生孔隙聚合与扩展，形成主导裂纹导致合金断裂；同时，断裂位置附近的孔隙密度远高于其他区域。因此，合金的断裂机制源于孔隙聚合与大范围局部孔隙的共同作用。

5. 合金的高屈服强度，来自细晶强化（114.4 MPa）、固溶强化（98 MPa）、位错强化（77.7 MPa）、奥罗万强化（59.1 MPa）与载荷传递强化（42.3 MPa）的共同贡献。其中，与粗晶和细晶的占比、尺寸相关的细晶强化贡献最大，而这一效应取决于TiB₂与Al₃Ti的分布与尺寸。

原始文献：

Liu G, Li R, Li W, et al. Selective laser melting of bimodal-structured 2024Al alloy with enhanced strength-ductility synergy through duplex reinforcements[J]. Materials Science and Engineering: A, 2026: 149831.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.149831