纳米TiO2改性激光粉末床熔融2024铝合金的微观结构调控与腐蚀性能提升机制

本文聚焦激光粉末床熔融（LPBF）成形的2024铝合金因枝晶粗化及溶质偏析导致的腐蚀性能劣化问题，创新性引入TiO2纳米颗粒（NPs），通过异质成核效应将晶粒尺寸从~20 μm细化至1-2 μm，并利用NPs对溶质扩散的阻滞作用显著降低Cu枝晶偏析（电位差从1.50 V降至0.88 V），为增材制造高耐蚀Al-Cu合金提供了新策略。

　　

Highlight

纳米TiO₂颗粒的引入在LPBF成形2024铝合金中展现出双重效应：一方面通过异质成核促使粗大柱状枝晶（~20 μm）转变为1-2 μm的细小等轴晶，晶粒尺寸降低近一个数量级；另一方面，NPs在凝固过程中通过阻碍溶质原子扩散，显著缓解了Cu元素的枝晶间偏析现象。

Impact of TiO₂ NPs on microstructure

经典的NPs异质成核理论在本研究中得到验证，但更关键的发现是：Ti含量从晶心向晶界递减的梯度分布特征，以及NPs对溶质扩散路径的物理阻隔作用。这种独特的空间分布使Cu偏析带宽度缩减，并抑制了θ(Al₂Cu)相在晶界的连续析出——这正是改善耐蚀性的微观结构基础。

Conclusion

本研究揭示了TiO₂ NPs通过以下机制提升LPBFed 2024合金性能：

1. 异质成核效应获得超细等轴晶（1-2 μm）；

2. 降低钝化膜施主密度，将偏析区与基体的电位差从1.50 V降至0.88 V；

3. 通过Al₃Ti原位反应相避免碳化物引发的腐蚀风险，为航空航天用增材制造铝合金提供了兼具强度与耐蚀性的解决方案。