美国加州大学Nature子刊丨激光增材制造纳米颗粒弥散强化的铝
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前言
坚固的轻质材料是大多数能源和环境可持续发展战略的组成部分，这些战略是现代社会的标志。分散的纳米粒子可用于增强轻金属，同时还可以细化晶粒并防止凝固开裂。最近，激光增材制造(LAM)或3D打印已成为加速航空航天、国防、汽车和生物医学行业材料创新的有力平台。虽然激光增材制造已被探索用于处理纳米颗粒增强金属，但激光打印金属相对于其他结构金属的特定性能和热稳定性仍然处于劣势。金属中的高密度纳米粒子将进一步提高它们的比强度、比模量和热稳定性。然而，在激光增材制造过程中，存在阻碍大量纳米粒子有效掺入和分散的关键挑战。
生产具有高密度分散纳米粒子的铝基纳米复合材料(AMNC)一直是一个长期存在的问题。熔盐辅助方法已相当有效地将纳米颗粒掺入到块状铝熔体中。然而，当纳米颗粒的含量超过10%（体积比），熔盐污染到铝熔体中将是一个严重的问题，部分原因是纳米复合熔体的粘度较高。因此，到目前为止，通过气体雾化铝基纳米复合材料生产具有致密分散纳米粒子的铝粉是不可行的。另一方面，研究表明，TiCN纳米颗粒可以穿透微铝液滴，而不会夹带熔盐，从而产生具有致密纳米颗粒的铝粉。然而，由于粉末表面涂有致密的纳米颗粒，这些粉末的直接固结（铸造或烧结）未能生产出高质量的铝基纳米复合材料，从而严重怀疑将这些铝粉用于LAM的可行性。此外，在LAM过程中，TiCN纳米颗粒会与过热的铝熔体发生反应。
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论文正文
图1 铝基纳米复合材料(AMNC)粉末的形态、微观结构和反射率
为了获得激光沉积AMNC的结构，对AMNC粉末的LAM进行了广泛的实验，并对激光沉积的AMNC的微/纳米结构和机械性能进行了表征。图2a显示了具有35vol.%TiC的AMNC，厚度为309±16μm，通过预热至300°C，并激光熔化Al粉(x = 1)床逐层沉积。从沉积样品的顶部（8mm×18.5mm）捕获SEM图像，显AMNC具有良好的均匀性，并且与之前的层很好地结合。为了揭示内部微观结构，将抛光的AMNC样品倾斜52°以获得横截面图像，如图2b和图2c所示，表明高体积分数的TiC纳米颗粒分散并均匀分布在整个铝基体中。TiC纳米粒子在Al基体中的均匀分散和分布可归因于激光加工的独特性和TiC在熔融Al中的良好润湿性。激光诱导的快速冷却速率可达106–7K s−1，因此原子和粒子的运动在几毫秒内冻结。最初的AMNC粉末完全熔化，然后迅速凝固。
在非平衡激光诱导的快速熔化和凝固过程中，AMNC粉末表面和内部的TiC纳米颗粒都没有团聚形成团簇。尽管固化后形成了一些平均尺寸为159nm的较大颗粒，但TiC纳米颗粒仍然均匀分散并分布在AMNC样品中，如图2b和c的横截面图像所示。此外，TiC纳米粒子与Al 基体的结合非常好，这在FFT滤波的高分辨率TEM 图像中得到了证实（图2d）。粉末表面的TiC纳米粒子可以更有效地吸收激光束，从而达到相对于铝的熔点更高的温度，使表面TiC纳米粒子能够快速分散和扩散到熔融铝粉的核心中，从而暴露液态铝用于粘合成致密层。
图3 激光沉积铝的室温力学行为
