中科院金属所新研究：通过增材摩擦挤出法3D打印碳纳米管铝纳米复合材料

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2025年12月3日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室的研究人员与中国科学技术大学合作，展示了一种无需后续热处理的固态增材制造铝基纳米复合材料制备方法。相关研究以题为“Additive manufacturing ofheat-treatment-free high-strength CNT/Al6Mg nanocomposites using emergingadditive friction extrusion deposition”的论文发表于《SpringerNature》期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1007/s42114-025-01512-w

论文介绍了一种利用增材摩擦挤压沉积（AFED）技术制备碳纳米管（CNT）增强Al6Mg纳米复合材料的方法。所得材料的屈服强度（YS）约为303 MPa，比AFED 5083铝合金提高了78%，是目前报道的采用摩擦搅拌增材制造技术制备的不可热处理Al-Mg合金的最高屈服强度值。

为了提高铝合金的强度，通常需要进行固溶处理和淬火等后处理热处理，但这可能会导致复杂几何形状的变形和开裂。固态增材制造（SSAM）方法，例如摩擦搅拌增材制造（FSBAM），利用摩擦生热和剧烈塑性变形来避免熔化和凝固缺陷。然而，采用这些工艺制造的铝镁合金的屈服强度通常低于270 MPa。

增材摩擦挤出沉积（AFED）是摩擦搅拌增材制造（FSBAM）的一种新型变体，它在挤出之前引入了一个预变形阶段，使原料与旋转模具之间产生强烈的摩擦。这种双剪切变形步骤能够改善沉积过程中的颗粒分散性并细化微观结构，从而形成致密、无缺陷的薄层。

△示意图展示了MgO和Al2O3颗粒在碳纳米管碎片周围的形成过程。图片来自Springer Nature。

受控加工和机械响应

CNT/Al6Mg样品的原料采用粉末冶金法制备，使用6 wt.% Al-Mg粉末与1 wt.%多壁碳纳米管（MWCNTs）混合。将混合物以200 rpm的转速研磨，压实，然后热挤压成圆柱形坯料。这些坯料用作AFED（原子力聚焦电沉积）的原料，CNT/Al6Mg的沉积转速为700 rpm，5083Al的沉积转速为300rpm。嵌入第一层中的热电偶记录了热循环过程，结果显示CNT/Al6Mg的峰值沉积温度约为503 °C，5083Al的峰值沉积温度约为455 °C，证实了更高的工具转速能够带来更高的热输入。

制备的十层沉积层厚度均匀，无裂纹或空隙。5083Al 在 300 rpm 转速下即可获得光滑表面，而 CNT/Al6Mg 则需要更高的转速才能消除表面凹坑。显微硬度测试结果显示，CNT/Al6Mg 的平均硬度为 129 HV，而 5083Al 的平均硬度为 90 HV，硬度提高了 43.3%。拉伸试验表明，CNT/Al6Mg 在纵向、横向和成型方向上均表现出各向同性。CNT/Al6Mg 的屈服强度约为 303 MPa，抗拉强度约为 418 MPa，而 5083Al 的屈服强度约为 170 MPa，抗拉强度约为 314 MPa。

因此，CNT/Al6Mg 超越了之前报道的所有通过摩擦搅拌增材制造技术生产的不可热处理的 Al-Mg 材料，如下图所示。

△AFED工艺示意图，包括热电偶位置、硬度测试位置和拉伸试样。图片来自SpringerNature。

微观结构细化和强化的起源

电子背散射衍射 (EBSD) 分析表明，晶粒细化是性能提升的关键。AFED 5083Al 的晶粒呈等轴状，平均尺寸为 3.8 μm，而 CNT/Al6Mg 的晶粒呈长条状，平均尺寸为 1.3 μm，晶粒尺寸减小了 66%。CNT/Al6Mg中高角度晶界的比例达到 94.3%，而 5083Al 中该比例为 80%。织构分析表明，CNT/Al6Mg 的剪切分量较弱，为随机分布倍数 (MRD) 的 2.4 倍，而5083Al 为 5.15 倍，这表明 CNT/Al6Mg 的晶粒取向更加随机。

透射电子显微镜 (TEM) 证实，分散的碳纳米管被 MgO、MgAl₂O₄ 和Al₄C₃ 纳米颗粒包围，形成颗粒聚集区 (PAZ)。这些颗粒限制了晶粒生长并产生了局部位错钉扎。拉曼光谱表明，碳纳米管基本保持完整，Iɢ 比值从原料中的 0.81 增加到AFED 处理后的 0.97–1.06，表明损伤很小。

定量分析表明，大部分强化作用归因于晶界强化和奥罗万强化机制。晶界强化贡献了约 182.6 MPa 的强度，而位错-颗粒相互作用引起的奥罗万强化贡献了 51 MPa 的强度。位错强化和固溶强化的贡献较小，而载荷传递效应可以忽略不计，因为碳纳米管倾向于在等离子体增强区（PAZ）内聚集。

△AFED 5083Al 和 AFED CNT/Al6Mg 的晶粒结构、GOS 图、取向差分布和极图。图片来自 Springer Nature。

性能比较和固态效率

CNT/Al6Mg的屈服强度超过了以往基于摩擦搅拌法的Al-Mg体系典型的200-270 MPa范围。由于AFED完全在固态下进行，因此避免了熔融增材制造中熔化和冷却相关的缺陷，也无需淬火或时效处理。该工艺制备的合金具有均匀的硬度分布和在各个方向上一致的拉伸性能。化学分析表明，在AFED过程中，吸附在碳纳米管上的镁原子与氧原子相互作用，生成MgO和MgAl₄纳米颗粒。这些纳米颗粒起到扩散阻挡层的作用，限制了碳纳米管碎片与铝基体之间的进一步反应，从而减少了脆性Al₃相的生成，并提高了界面稳定性。细化晶粒和纳米级增强的结合，使得屈服强度在无需额外热处理的情况下提高了78%。

后续研究可探索参数优化和碳纳米管含量调整，以进一步优化强度-延展性平衡。旋转速度和进给速率的变化可以针对不同的结构应用调整晶粒尺寸和颗粒分散性。AFED CNT/Al6Mg 的性能验证表明，固态增材制造能够制备高强度、无需热处理的铝纳米复合材料，适用于轻量化工程部件。