鋁合金以其質(zhì)輕、高比強、抗腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、軌道交通、汽車等領(lǐng)域的輕量化結(jié)構(gòu)。增材制造技術(shù)不受工藝條件的約束和限制，為航空航天等領(lǐng)域復(fù)雜鋁合金構(gòu)件（如復(fù)雜框梁、薄壁、內(nèi)流道結(jié)構(gòu)等）的定制化生產(chǎn)提供了前所未有的機遇。

　　然而，常見的鋁合金通常表現(xiàn)出較差的成形性，增材制造過程中極易出現(xiàn)裂紋等冶金缺陷，導(dǎo)致較差的力學性能。目前，取得廣泛商業(yè)應(yīng)用的增材制造鋁合金僅限于AlSi12、AlSi10Mg等少數(shù)鋁硅系合金。而2xxx系和7xxx系等傳統(tǒng)高強鋁合金因其較寬的凝固區(qū)間，在增材制造復(fù)雜熱應(yīng)力環(huán)境下極易產(chǎn)生嚴重的熱裂紋傾向，導(dǎo)致實際應(yīng)用于增材制造鋁合金種類非常少，難以滿足承重、耐熱等復(fù)雜服役環(huán)境對鋁合金構(gòu)件的迫切需求。因此，亟需開發(fā)兼具良好成形性與強韌性的增材制造鋁合金。

　　近期，中南大學粉末冶金國家重點實驗室的陳超和長沙理工大學的劉小春等人在開發(fā)增材制造高強耐熱鋁合金方面取得重要進展。該工作基于Al?Ni共晶合金凝固區(qū)間小、流動性好等特點，有效降低了鋁合金在增材制造復(fù)雜熱應(yīng)力條件下的裂紋敏感性，在非常寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)合金內(nèi)部都沒有出現(xiàn)微裂紋。選區(qū)激光熔化過程的高冷卻速度還極大地細化了共晶組織，獲得了納米級球狀A(yù)l3Ni粒子均勻分布于鋁基體的粒狀共晶組織。相比于鋁硅系合金，Al?Ni共晶具有更高的共晶溫度 (640℃)、在鋁基體中更低的固溶度 (0.02wt.%) 以及更低的擴散系數(shù)，形成的Al3Ni 粒子具有非常好的高溫穩(wěn)定性，增材制造的Al?Ni合金表現(xiàn)出較好的耐熱性能。選區(qū)激光熔化成形Al?Ni共晶合金室溫抗拉強度超過400 MPa，室溫延伸率10%，300℃的抗拉強度超過140 MPa，同時還具有較寬的成形工藝窗口。相關(guān)論文以題為“Ahigh-strength heat-resistant Al?5.7Ni eutectic alloy with spherical Al3Ni nano-particles by selective laser melting”發(fā)表在期刊Scripta Materialia上。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114034

　　SLM成形的Al?Ni共晶合金致密度超過99.8%。在極高的冷卻速度下，合金晶粒細小，形成了平行于凝固方向的細小柱狀晶合金，在垂直于建造方向的橫截面和平行于建造方向的縱截面兩個截面統(tǒng)計晶粒大小分別為 5.1μm和7.1μm。亞晶和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)發(fā)達，合金較高的平均局部取向差，反映了合金內(nèi)部較高的位錯密度。SLM成形的Al?Ni合金主要由α-Al相和Al3Ni相組成。不同于傳統(tǒng)鑄造Al?Ni合金中呈棒狀或纖維狀的Al3Ni相，SLM成形Al?Ni合金中的Al3Ni相為球狀，彌散分布于α-Al基體中，平均尺寸約為32nm。同時，α-Al基體中Ni元素的含量仍高達3.5wt.%，表明在SLM過程中極高的冷卻速度下，大量Ni原子固溶在α-Al基體中形成超飽和固溶體。部分尺寸較小的Al3Ni顆粒與α-Al基體存在著<110>Al//<113>Al3Ni、{111}Al//{211}Al3Ni的位相關(guān)系。

　　圖1  SLM成形Al-Ni合金的顯微組織：(a) SLM 示意圖；(b) 橫截面和 (c) 縱截面的EBSD圖；(d) 合金的晶粒尺寸分布；(e) KAM統(tǒng)計圖；(d) XRD。

　　圖2 合金的TEM分析：(a) TEMBF；(b)HAADF；(c)面掃描；(d)線掃描。

　　圖3 Al3Ni與α-Al基體的位相關(guān)系：(a) HRTEM；(b) IFT，(c,d) FT。

　　SLM成形Al?Ni合金在室溫下的抗拉強度、屈服強度及延伸率分別為410 MPa、280 MPa和9.5%，遠高于鑄造Al?Ni合金的性能。細小彌散分布的球狀A(yù)l3Ni粒子是高強度的重要來源。合金在250℃時仍保持210MPa的屈服強度，在300℃的屈服強度接近140 MPa，顯示出優(yōu)于Al-Si系合金的高溫力學性能。Ni原子在鋁基體中更低的擴散系數(shù)（300℃下，dNi=2.7×10?17m2/s，dSi=2.6×10?16m2/s）和較低的固溶度保證了Al?Ni合金優(yōu)異的高溫強度和抗蠕變性能。

　　圖4 合金的力學性能：(a)應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b)柱狀圖。