[论文解读] Icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation in Al alloys fabricated by selective laser melting

C. Galera-Rueda, M.L. Montero-Sistiaga+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 48被引用 4

一句话总结

本研究通过选择性激光熔融（SLM）技术制备的ZrH2微粒掺杂粉末，展示了在Al7075合金中存在二十面体准晶增强形核现象。非平衡凝固条件促进了超细等轴晶粒的形成，其具有高密度的形变孪晶界和五重对称性，揭示了一种此前仅在铸态Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti或Au-Ir合金中观察到的新形核机制。

ABSTRACT

Selective laser melting (SLM) is rapidly evolving to become a mainstream technology. However, the fundamental mechanisms of solidification and microstructure development inherent to the non-equilibrium conditions of this additive manufacturing method, which differ largely from those typical of conventional processing techniques, remain widely unknown. In this work, an in-depth characterization of the microstructure of Al7075 SLM processed samples, built from powder mixtures containing ZrH2 microparticles, demonstrates the occurrence of icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation during laser fabrication. This solidification mechanism, only observed to date in cast Al-Zn and yellow gold alloys containing minute additions of Cr (Kurtuldu et al., 2013) or Ti (Chen et al. 2018), and Ir (Kurtuldu et al., 2014), is evidenced by the presence of an abnormally high fraction of twin boundaries and of five-fold orientation symmetry between twinned nearest neighbors lying within a matrix of equiaxed, randomly textured, ultrafine grains. This research attests to the wide range of possibilities offered by additive manufacturing methods for the investigation of novel physical metallurgy phenomena as well as for the design of advanced metals.

研究动机与目标

• 研究通过选择性激光熔融（SLM）技术加工ZrH2微粒添加的Al7075合金时的显微组织演化。
• 识别并表征SLM固有非平衡条件下出现的新凝固机制。
• 确定二十面体准晶是否可在增材制造的Al合金中充当异质形核位点。
• 探索增材制造在发现新型物理冶金现象方面的潜力。
• 评估准晶形成在细化晶粒结构和促进孪晶界形成中的作用。

提出的方法

• 采用选择性激光熔融（SLM）技术，利用含ZrH2微粒的粉末混合物制备Al7075样品。
• 采用电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒形貌、织构及取向关系。
• 利用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）检测二十面体准晶的存在。
• 显微组织表征聚焦于检测晶粒基体中五重对称性及高比例孪晶界。
• 在SLM典型的快速加热与冷却速率等非平衡凝固条件下分析凝固过程。
• 与先前报道的铸态Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti和Au-Ir体系中准晶增强形核现象进行对比，以验证该机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Al7075合金SLM过程中添加ZrH2后，能否形成二十面体准晶并作为形核位点？
• RQ2 SLM加工的Al合金中，准晶增强形核相关联的显微组织特征是什么？
• RQ3 准晶的存在如何影响非平衡凝固过程中晶粒的细化与孪晶界形成？
• RQ4 SLM加工的Al合金中观察到的二十面体准晶增强形核机制，是否与铸态Al-Zn和Au-Ir体系中的机制相似？
• RQ5 该机制对通过增材制造设计新型Al基合金具有何种启示？

主要发现

• 通过XRD和TEM确认，在含ZrH2微粒的Al7075合金SLM过程中形成了二十面体准晶。
• 观察到高比例的孪晶界，且在超细晶粒基体中，孪晶最近邻原子间呈现五重对称性。
• 显微组织由等轴、随机取向的超细晶粒组成，表明存在有效的形核位点。
• 通过特征性五重对称性和高密度孪晶界的存在，证实了准晶增强形核机制。
• 该机制此前仅在铸态Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti和Au-Ir合金中报道过，本研究首次在SLM加工的Al合金中观察到。
• 结果表明，增材制造可实现新型凝固机制与显微组织现象的发现。