中美三校联合顶刊丨激光粉末床熔融增材制造新型纳米增强铝基复合材料的强化机理
该研究采用粉末包覆策略合成了一种用于激光粉末床熔融（LPBF）的新型MXene/AlSi10Mg复合粉末。该方法包括三个步骤，包括MXene薄片的插层处理、分层MXene纳米片在水溶液中的均匀分散，然后使用固液流化床进行粉末包覆处理。与机械混合和球磨等传统粉末混合物制备方法不同，我们的粉末包覆方法在AlSi10Mg粉末表面实现了MXene的均匀分布和高纯度，同时保持了粉末原有的球形度和流动性。MXene层在高能激光照射和高温铝熔化的强烈条件下表现出卓越的稳定性，使得LPBF处理后能够成功保留MXene纳米片。实验结果表明，保留的MXene通过Al基体的载荷传递、对晶界运动的钉扎作用以及对共晶Si变形和断裂的抑制作用，有效强化了Al基体。因此，与LPBF处理的裸AlSi10Mg样品相比，少量添加MXene(0.25wt%)可显着提高拉伸强度（超过60%），同时保持可接受的延展性。
图 1. (a) 蚀刻后的 Ti3C2Tx MXene 薄片的 SEM 图像和显示分层 MXene 纳米片形态的插图，(b) 分层 MXene 的 zeta 电位曲线，(c) 原始 AlSi10Mg 粉末的 SEM 图像 ，（d）AlSi10Mg粉末在水溶液中的zeta电位曲线
图2. MXene/AlSi10Mg粉末在不同流化时间下的形态变化：（a）10分钟，（b）30分钟，（c）60分钟和（d）120分钟
建立了MXene/AlSi10Mg复合粉末的打印条件窗口，以确保高打印致密性和良好的成型质量。在优化参数（激光功率300W、扫描速率0.75m/s）下，打印的样品具有接近完全致密化（相对密度大于99%）、较高的表面平整度和较少的冶金缺陷。MXene涂层在高能激光照射和高温铝熔化的强烈条件下表现出卓越的稳定性，使得LPBF处理后能够成功保留MXene纳米片。与打印的AlSi10Mg样品相比，少量添加MXene(0.25wt%)可显着提高拉伸强度（超过60%），同时保持可接受的延展性。这种增强主要源于MXene纳米片的多重强化效应，包括阻碍晶界的移动、传递周围铝基体的载荷以及抑制共晶硅在拉伸过程中的变形和断裂。
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