上交-港城大联合顶刊《Composites Part B》：石墨烯纳米片增强铝基复材腐蚀行为和强度-延展性协同机制研究！

作为一种具有 Al11Ce3 增强相的复合材料，Al-Ce 合金在高温下表现出显著的微观组织稳定性以及可铸性。然而，铸态 Al-Ce 合金在室温下表现出相对较低的抗拉强度，通常约为150 MPa，即使在变形和热处理后也是如此。此外，大尺寸Al11Ce3相与Al基体之间的巨大电位差导致其耐腐蚀性较差。这些在强度和耐腐蚀性方面的限制为 Al-Ce 基合金的工业应用带来了重大障碍。

增材制造是工业 4.0 的关键组成部分，能够生产复杂设计的组件，减少浪费，缩短成形周期，并加速产品开发周期。在各种AM技术中，激光粉末床熔融已成为一种突出且成熟的工艺，在航空、航天和汽车等行业中得到指数级整合。然而，在增材制造领域铝合金的发展相对缓慢，主要是由于较低的经济激励和与激光打印相关的挑战，包括更高的激光反射率和相对较大的凝固范围。商业高强度 2000、6000 和 7000 系列铝合金焊接性差，不适合激光粉末床熔融。

Al-Ce 合金由于其热稳定性和在铸造过程中对凝固开裂的抵抗性，提供了一种可行的替代方案。先前的研究表明，采用激光粉末床熔融制备的具有原位纳米网络结构的 Al-9.5Ce-0.6Mg合金表现出优异的打印性。然而，尽管实际成形的 Al-9.5Ce-0.6 Mg 合金的强度提高了400 MPa，但在室温下断裂伸长率约为 6%。强度和延展性之间的不可调和冲突需要进一步解决。此外，激光粉末床熔融Al-Ce 基合金的腐蚀行为迄今为止尚未得到充分关注。

铝基复合材料（AMCs）通过结合 Al 基体和增强材料的优异性能，提供了一种可行的解决方案。石墨烯纳米片（GNPs）由于其低成形成本、优异的机械性能以及独特的电子和热性能，被认为是金属中很有前途的增强材料。通过广泛的变形以防止氧化和 GNPs 与基体之间的反应，通常可以实现 GNPs 增强铝基复合材料的强度和延展性。然而，制备方法严重限制了铝合金的应用，尤其是在复杂结构组件中。金属基复合材料（MMCs）的传统制备路线，包括液态方法（如液态金属渗透和铸造技术）和固态方法（如粉末冶金），通常会导致在延展性基体中形成团聚颗粒，从而导致不希望的脆性和较差的耐腐蚀性。铝中 GNPs 的均匀分布对于获得优异的耐腐蚀性至关重要。在微米级熔池中粉末的局部熔化，随后快速凝固，防止了 GNPs 的团聚。这个过程为制备具有优异强度-延展性和耐腐蚀性的 AMCs 提供了机会。

在这项工作中，上海交通大学和香港城市大学团队采用 LPBF 方法制备了新型 Al-9.5Ce-0.6Mg/0.7GNPs复合材料。随后，对制备的 Al-9.5Ce-0.6Mg/0.7GNPs 复合材料进行了后续热处理。对微观组织进行了细致表征。此外，系统研究了在 3.5 wt. % NaCl 溶液中的力学性能和腐蚀行为。此外，基于多尺度表征揭示了强化和腐蚀机理。

主要附图

图 1. (a) Al-Ce 粉末，(b) GNPs 粉末，(c) Al-Ce/GNPs 复合粉末的粉末形态；(d) Al-Ce/GNPs 复合粉末的 EDS图像；(e) Al-Ce 粉末的粒度分布；(f) L-PBF 工艺示意图；(g) 原位 Al-Ce/GNPs 复合样品；(h) 拉伸测试样品示意图。

图 2. (a) 成形后的 Al-Ce/GNPs 复合样品中缺陷尺寸的分布；(b) 通过CT 测量的等效直径与球形度的关系。

图 3. (a) Al-Ce/GNPs 复合粉末、原位和高温 Al-Ce/GNPs 样品的 XRD 和(b)拉曼光谱。

图 4. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 样品的扫描电子显微镜图像、反极图（IPF）图和相应的极图（PF）：（a、c、e）沉积态 Al-Ce/GNPs 样品，（b、d、f）热处理 Al-Ce/GNPs 样品。

图 5. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的 HR-TEM 和 FFT 结果：（a、b）沉积态 Al-Ce/GNPs 复合样品，（c、d）热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品。

图 6. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的透射电子显微镜（TEM）结果：（a）高角环形暗场（HAADF）图像，（b）MPB 区域放大的 HAADF 图像，（c）MPC 区域放大的 HAADF 图像，（d）沉积态样品中 Al、Ce、Mg 和 C 元素的 STEM-EDS图像，（e）HAADF 图像，（f）MPB 区域放大的 HAADF 图像，（g）MPC 区域放大的 HAADF 图像，（h）热处理样品中 Al、Ce、Mg 和 C 元素的 STEM-EDS图像。

图 7. (a) 从制备样品中提取的原子探针Al、Ce、Mg 和 C 原子图；(b) 浓度分布的直方图；(c) 从 HT 样品中提取的原子探针 Al、Ce、Mg 和 C 原子图；(d) 浓度分布的直方图。

图 8. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的拉伸性能：(a) 室温下的工程应力-应变曲线，(b) 与其他报道的增材成形 Al-Ce 和 Al-Si 系合金的强度和延伸率随 YS 的变化比较。

图 9. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合合金的断裂表面

图 10. 铸造态 Al-Ce、烧结态 Al-Ce 和高温 Al-Ce/GNPs 复合样品的极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）：（a）Tafel 曲线，（b）Nyquist 图，（c）阻抗模量与频率的 Bode 图，（d）相位角与频率的 Bode 图。

图 11. 铸态、热处理态 Al-Ce 合金和热处理态 HT Al-Ce/GNPs 复合材料在循环极化测试后的腐蚀形貌 SEM 和 EDS 图像。

图 12. 铸造态、沉积态态 Al-Ce/GNPs 和高温 Al-Ce/GNPs 复合合金在 3.5 wt %溶液中浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 显微照片：（a）浸泡 1 小时后的 BSE 图像，（b, b1）浸泡 5 小时后的 BSE 图像和相应的 EDS 图谱，（c）浸泡 3 天后的 BSE 图像，（d, d1）铸造态 Al-Ce 合金浸泡 7 天后的 BSE 图像和相应的 EDS 图谱；（e–h）铸造态 Al-Ce/GNPs 复合合金浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 图像；（i–l）高温 Al-Ce/GNPs 复合合金浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 图像。

图 13. 拉伸测试后和高温处理 Al-Ce/GNPs 复合材料的横截面形态和 GND 密度：（a）样品的横截面形态；（b）高温处理样品的横截面形态；（c, d）GND 密度和（e）GND 密度曲线。

图 14. 铸态 Al-Ce 合金、制备态 Al-Ce/GNPs 和高温 Al-Ce/GNPs 复合材料的 SKPFM 分析。（a）原子力显微镜（AFM）形貌图像，（a1）电位差分布图，（b）铸态 Al-Ce 合金中沿白色箭头的电位差，（c, c1）对应 MPB 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（d, d1）对应 MPC 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（f）制备态 Al-Ce/GNPs 复合材料中 c1 和 c1 沿白色箭头的电位差，（f, f1）对应 MPB 区的 AFM 形貌图像和电位差分布，（g, g1）对应 MPC 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（h）高温 Al-Ce/GNPs 复合材料中 f1 和 g1 沿白色箭头的电位