TiB2添加对LPBF 2195 Al-Li合金微观结构和力学性能的影响

　　本研究通过添加TiB?颗粒优化了激光粉末床熔融制备的2195 Al-Li合金的凝固行为和微观结构，显著提高了材料的密度（达98.9%）和抗拉强度（提升17.5%），为轻质高强铝合金的先进制造提供了理论和技术基础。

　　
Al-Li合金作为第三代高强轻质合金的代表，其应用在航空制造领域具有战略意义。本研究聚焦激光粉末床熔融（LPBF）工艺中2195 Al-Li合金的缺陷控制与性能优化，通过系统研究不同TiB?添加量（0、1、2wt%）对材料组织调控和力学性能的影响，揭示了异质形核与晶界钉扎协同作用的强化机制。研究结果为高强轻质合金的增材制造工艺优化提供了理论支撑。

在材料体系选择方面，2195 Al-Li合金因其优异的比强度（约130MPa·g/cm3）和室温抗拉强度（超过300MPa）成为研究重点。传统熔模铸造工艺中，该合金易出现枝晶偏析导致的粗大柱状晶，引发裂纹扩展风险。LPBF技术特有的逐层熔凝特性，在获得复杂结构的同时，也面临低激光吸收率（Al-Li合金吸收率仅8-12%）和快速冷却导致的凝固缺陷问题。

TiB?陶瓷颗粒的引入展现出多尺度协同强化效应。1wt%添加量时，颗粒与基体形成约6.27μm的细小等轴晶（较未添加组减少39.4%），这源于颗粒表面异质形核促进均匀凝固。实验数据显示，当激光功率调至450W、扫描速度800mm/s时，含1%TiB?的试样孔隙率降至1.1%，较基体降低约40%。这种缺陷抑制效果主要源于颗粒的三重作用机制：首先，TiB?（熔点3140℃）作为稳定异质形核基底，缩短了合金的过冷度，促进晶粒均匀生长；其次，颗粒与晶界形成机械阻碍，抑制了柱状晶向粗大等轴晶的异常转变；再者，颗粒与熔池接触界面产生热梯度，有效阻断裂纹萌生路径。

在微观结构调控方面，TiB?的添加改变了合金的凝固动力学过程。当添加量达到1wt%时，熔池温度梯度从-12℃/s提升至-18℃/s，促使溶质原子快速扩散，抑制了粗大柱状晶的形成。X射线衍射分析显示，TiB?与Al-Li基体保持良好的热力学匹配，未出现明显的界面应力集中现象。这种结构调控效果在SEM/EBSD联合表征中得到印证，添加TiB?的合金晶界曲率半径从32nm增至47nm，表明晶界钉扎效应显著增强。

力学性能提升机制呈现多维度协同效应。首先，晶粒细化带来的Hall-Petch强化效应使屈服强度提升至310MPa（较基体提高18.5%）。其次，TiB?颗粒与基体界面形成的位错网络密度达到4.2×101?/cm2，产生显著的晶界强化作用。再者，颗粒对变形模式的约束使断裂韧性提升至18.7MPa·m1/2，较未添加组提高32%。拉伸试验数据显示，含1%TiB?的试样断裂伸长率达12.3%，表明材料在保持高强度的同时仍具备适度塑性。

工艺参数优化方面，研究团队通过正交实验法确定了关键工艺窗口。当激光功率控制在450-500W区间，扫描速度维持在800-900mm/s时，熔池充盈度达到最佳平衡状态。这种参数组合不仅实现了98.9%的理论密度，更重要的是建立了缺陷密度与工艺参数的定量关系模型。通过能密度（VED）分析发现，当单位面积能量密度超过3.2J/mm2时，晶界处气孔合并概率降低65%，这为工艺窗口的精准控制提供了理论依据。

工业化应用潜力方面，本研究提出的TiB?梯度添加技术（0-2wt%连续可调）显著降低了生产成本。相比传统稀土元素（如Sc）的添加（成本增加47%），TiB?作为常规合金化元素（成本增幅仅12%），在保持材料性能的同时更具商业推广价值。此外，开发的工艺参数库可覆盖85%以上的航空结构件需求，包括复杂曲面承力构件（曲率半径<5mm）和薄壁结构件（厚度<3mm）。

未来研究可重点关注三个方向：其一，建立TiB?添加量与晶界能密度的定量关系模型，为精准合金化提供理论支撑；其二，探索TiB?颗粒与纳米析出相（如Al?Sc）的协同强化机制；其三，开发面向航空构件的快速工艺优化系统，通过数字孪生技术实现工艺参数的实时反馈调整。这些研究将推动Al-Li合金在航空发动机叶片、机身框架等关键部件的工程化应用。