激光粉末床熔融制备TiCN增强AlMgScZr复合材料的三周期极小曲面晶格结构：微观组织与力学性能的协同优化

　　本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)技术制备陶瓷增强铝基复合材料(AMCs)的瓶颈问题，创新性地将微米级TiCN颗粒引入AlMgScZr合金体系。通过调控微观组织(实现柱状晶向等轴晶转变)和热处理工艺，使5 vol.% TiCN-AlMgScZr复合材料获得683 MPa抗拉强度与4.1%延伸率的优异平衡，并首次系统评估了三周期极小曲面(TPMS)结构(特别是道格拉斯冷杉启发结构)的压缩性能与振动阻尼特性，为航空航天轻量化构件设计提供新思路。

　　

在材料科学领域，激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术因其能直接制造复杂几何结构的特点，正推动着航空航天、生物医疗等领域的轻量化革命。然而，当前LPBF技术主要局限于加工Al-Si系铝合金，这类材料虽具有良好铸造性能，却存在强度不足(通常<400 MPa)、抗疲劳性能差等固有缺陷。传统高强铝合金如Al-Cu-Mg系又极易在LPBF过程中产生热裂纹，即便通过微合金化或陶瓷颗粒增强改进，其力学性能仍难以满足现代工业对轻质高强材料的苛刻需求。

为突破这一技术瓶颈，近年来研究者开始开发专为LPBF工艺设计的新型铝合金。其中，AlMgScZr合金展现出独特优势——通过Sc、Zr微合金化形成的Al₃
(Sc,Zr)纳米沉淀相，可同时提升材料强度和延展性。已有研究表明，优化后的LPBFed AlMgScZr合金可实现550 MPa以上的抗拉强度(UTS)和15%的延伸率。但令人意外的是，关于陶瓷颗粒增强AlMgScZr复合材料的研究却鲜有报道，这严重制约了该材料体系性能边界的拓展。与此同时，具有三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface, TPMS)拓扑结构的轻质构件，因其独特的力学性能和能量吸收特性，在减震降噪领域展现出巨大潜力，但采用陶瓷增强铝基复合材料制造TPMS结构的研究仍属空白。

针对上述挑战，由佛山科学技术创新团队、季华实验室和阳江引进创新研究团队支持的研究小组，在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。该工作首次将成本效益显著的微米级碳氮化钛(TiCN)颗粒引入AlMgScZr合金，通过LPBF工艺制备出具有优异综合性能的复合材料，并系统评估了其TPMS结构的力学与阻尼特性。

研究团队采用行星式球磨法制备TiCN-AlMgScZr复合粉末(D₅₀
=37.9 μm)，通过参数优化实现LPBF成型，结合CT扫描、EBSD和TEM等表征手段解析微观组织演变，并采用有限元模拟与实验测试相结合的方法评估TPMS结构性能。

【微观结构分析】
研究发现5 vol.% TiCN的加入显著改变了熔池凝固动力学，促进α-Al基体从柱状晶向等轴晶转变，平均晶粒尺寸从纯合金的3.2 μm细化至1.8 μm。这种转变源于TiCN颗粒作为异质形核位点，以及其引起的熔体过冷度增加。时效处理后，材料中同时存在Al₃
(Sc,Zr)和TiCN双相强化，CT分析显示复合材料孔隙率较基体合金降低42%。

【力学性能】
经过325°C/4h时效处理的5 vol.% TiCN-AlMgScZr复合材料展现出683 MPa UTS、654 MPa屈服强度(YS)和4.1%延伸率的优异组合，其强度较未增强合金提升25%，且显著高于文献报道的LPBFed铝合金及复合材料。断口分析揭示TiCN颗粒通过载荷传递、位错增殖和晶界钉扎等多重机制协同强化。

【TPMS结构性能】
基于Douglas fir启发的D-F型TPMS结构表现出最优压缩性能，其屈服强度达实体材料的68%，较Gyroid和Primitive结构分别提高22%和35%。独特的枝晶状拓扑使该结构在压缩过程中产生渐进式层状坍塌，能量吸收效率提升40%。振动测试显示D-F结构阻尼比达0.032，比实体材料提高3倍，这归因于TPMS孔洞结构引起的多重应力波反射耗散。

这项研究通过材料-结构-功能一体化设计，建立了三个重要范式：(1)证实微米级陶瓷颗粒在LPBF铝合金中可实现纳米颗粒相当的强化效果，且成本降低60%；(2)首次揭示TPMS结构在陶瓷增强铝基复合材料中的适用性规律；(3)发现生物启发拓扑结构(D-F型)在振动阻尼方面的独特优势。这些发现为航空航天发动机支架、卫星减震部件等关键构件的设计提供了新思路，同时为多尺度协同强化的金属基复合材料开发奠定了理论基础。特别值得注意的是，研究中采用的微米级TiCN增强策略，避免了纳米颗粒分散不均的技术难题，具有显著的工业化应用前景。