【综述：增材制造Al–Ce–Mg合金的组织和性能（下）】▲图14近共晶和过共晶合金的scheil图和杠杆凝固图 ， 计算使用粉末的不同化学成分
值得注意的是 ， 这两种合金的Al13CeMg6金属间化合物都是用scheil模型预测的 ， 而不是用平衡状态下的杠杆法则 。 这一预测与制备样品的XRD光谱中发现的Al13CeMg6峰以及HIP后这些峰强度的降低相一致 ， 表明该相在凝固结构中是亚稳态的 。 此外 ， 随着Al13CeMg6在热等静压过程中的溶解 ， 镁的含量预计会在FCC-Al基体中移动到溶液中 ， 从而增加晶格常数（lattice parameter） 。 这种效应解释了在XRD光谱中观察到的铝峰位移 。
4.3 凝固组织
在两种合金凝固结构的比较中揭示了一个有趣的现象——非平衡行为 。 正如从其成分可以预期的那样 ， 近共晶合金的微观结构由铝和Al11Ce3的共晶结构组成 。 这种微观结构形成两种不同的形态——靠近熔池边缘的球状结构（可能是由先前形成的微观结构的部分再熔化形成的）以及靠近熔池中心的更细的纤维结构 。 另一方面 ， 过共晶合金形成了丰富多样的结构——1区靠近熔池边界的多面初级Al11Ce3颗粒 ， 2区的纤维状Al+Al11Ce3共晶以及3区的初生铝枝晶(dendrites) 。
为了弄清楚这些微观结构演变的差异 ， 必须考虑该过程的热特性和成分对非平衡凝固组织的影响 。 半参数传热模型用于模拟每种合金中使用的工艺条件的热条件 ， 各后续层的再熔化也包括在其中 。 在平衡共晶温度下评估固-液界面速度和产生的热梯度 ， 其分布结果总结在图15A中 。 传热条件在空间上也与熔池几何形状相关——最高梯度和最低速度在熔池边界 ， 最低梯度和最高速度在熔池中心 。
▲图15(A)根据半参数传热模型预测的凝固前沿固-液界面速度和热梯度分布 ， 显示统计分布的高斯核密度估计(Kernel density estimation) ， 和(B)Al-Ce二元系统的斜耦合区示意图 ， 需要用更宽过冷范围来解释观察到的过共晶合金的显微组织变化 。 需要注意的是 ， 低于共晶不变反应的温度可被认为增加了固液界面的过冷度 。
凝固相选择的差异取决于凝固模式的相对生长温度 ， 而后者取决于固液界面的热条件 。 此前对Al-Ce二元合金的研究表明 ， 非平衡相的选择可能取决于局部凝固条件 ， 并导致单一熔池内不同凝固结构的模式化 。 在Al-Ce系统中 ， Al11Ce3相的多面性质表明其生长受到高固-液界面能的限制 ， 随着凝固速度的增加 ， 该界面能变得越来越占主导地位 。 因此 ， 在高凝固速率下 ， Al11Ce3的一次凝固很容易被抑制 ， 这解释了为什么在近共晶合金中根本没有观察到它 ， 而在过共晶合金中 ， 也仅在低速率的熔池边界处观察到它 。
铝枝晶和初生Al11Ce3之间的固-液界面能的差异也有望导致具有一个面相和一个非面相的共晶系统特征的斜耦合共晶区(在图14B中示意性地示出了假想的伪二元Al-Ce系统) 。 在该系中 ， 对于大的过冷值 ， 过共晶成分会形成共晶结构或者甚至会形成亚共晶相的初级枝晶 。 过共晶合金中铝枝晶的出现可以通过考虑这种体系来解释 ， 而这取决于共晶和铝枝晶生长模式的相对稳定性 。 基于图14B中的示意图 ， 如果能够解释过共晶合金的较大过冷范围 ， 则可以理解两种合金之间凝固结构的差异 。
我们可以假设过冷范围的差异起着重要作用 。 过共晶成分富含铈和镁 ， 而对于Al + Al11Ce3的耦合共晶生长 ， 两个相都是贫镁的 ， 这表明镁在液体中的分配将导致大量的过冷 ， 从而形成不稳定的共晶生长（相对于二元体系而言） 。 过共晶合金中较高的镁含量意味着其带来的过冷将大于近共晶合金 。 因此 ， 固液界面镁浓度很高的条件更易于铝枝晶的生长 。 结合热梯度的变化 ， 凝固模式的差异则可被“合理化”、便于理解 。 然而 ， 仍需更多深入地研究来量化合金化学和工艺特性对凝固模式选择的影响 ， 并且还需要提高对这些合金的热力学和动力学特性的理解 。
5. 结论
本文介绍了增材制造生产的两种Al–Ce–Mg合金的显微组织和拉伸性能的表征 。 相对于L→Al+Al11Ce3反应 ， 一种合金为近共晶(Al–11Ce–7Mg) ， 另一种为过共晶(Al–15Ce–9Mg) ， 其中Mg作为固溶强化元素 。 然而 ， 观察到镁优先进行汽化 ， 并且发现过共晶合金更易形成匙孔孔隙 。
本研究成功实现了跳跃光栅扫描模式的定制 ， 以限制匙孔的形成 ， 并使用低温热等静压处理来降低孔隙率 ， 同时限制微观结构的粗化 。 两种合金的拉伸性能与温度的函数关系分别在制备条件和热等静压条件下进行测量 ， 尽管两种合金的室温延展性有限 ， 但本实验发现其在这两种那个条件下强度优于普通的可印刷Al-Si合金 。 最后 ， 通过显微镜和x射线衍射对合金的微观结构进行了表征 。 微观结构是非平衡凝固现象的结果 ， 高度依赖于凝固过程中的传热条件和合金化学的差异 。
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