前沿：本文研究了激光粉末床熔融（LPBF）Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金在構(gòu)建平面（XY平面）和構(gòu)建方向平面（XZ平面）上的腐蝕行為。結(jié)果表明：不同平面的微觀結(jié)構(gòu)導致了其腐蝕行為的差異，分布在細晶區(qū)的大量微陰極Al3（Sc,Zr）析出相在局部腐蝕中起到了主導作用，使得兩個平面的熔池邊界區(qū)域優(yōu)先發(fā)生腐蝕，而具有微陽極作用的Al6（Mn,Fe）析出相更優(yōu)先于基體發(fā)生溶解，但其對于合金腐蝕行為的影響遠小于Al3（Sc,Zr）析出相。

鋁合金因其高強度和良好的耐腐蝕性而廣泛應用于機械制造、航空航天等領(lǐng)域，但是采用傳統(tǒng)制造方法制備鋁合金存在效率低、成本高和難以制備結(jié)構(gòu)復雜部件等缺點，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對服役材料的要求。激光粉末床熔融（LPBF）作為常見的增材制造技術(shù)之一，它利用高能激光束在保護氣氛中完全熔化金屬粉末層，通過快速凝固及層層構(gòu)建形成高致密度和高性能的金屬部件。LPBF工藝的高設(shè)計自由度、近凈成形制造、高效生產(chǎn)和高原料利用率為制備具有優(yōu)良性能和高實用價值的鋁合金提供了新途徑。

近年來，通過LPBF工藝制備高強度鋁合金逐漸受到廣泛關(guān)注。借助LPBF工藝的快速加熱和急速冷卻的特點，可以實現(xiàn)合金元素（如Mg、Mn和Zn）在基體中的大量固溶形成過飽和固溶體，從而提高LPBF鋁合金的性能。由于LPBF快速加熱凝固的特點，大多數(shù)高強度鋁合金通常會出現(xiàn)熱裂紋等加工缺陷，這將嚴重降低鋁合金的性能和適用性。添加Sc和Zr元素是一種有效減少LPBF過程中產(chǎn)生缺陷的方法，且能夠進一步改善性能?；谏鲜龈拍?，研究人員專門為LPBF工藝設(shè)計并生產(chǎn)了高Mn含量的Sc、Zr改性高強鋁合金，由于過飽和Mn的固溶強化、晶粒細化強化和高密度納米析出相的沉淀強化，實現(xiàn)了強度的顯著提升（屈服強度達560 MPa），這類合金在航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。然而，這類高強度LPBF鋁合金的腐蝕性能仍不清楚。為了擴大這種新型合金的實際應用，有必要對其基本腐蝕行為進行全面研究。

與傳統(tǒng)鑄造或鍛造合金不同，LPBF通常由于逐層構(gòu)建過程而賦予合金各向異性的微觀結(jié)構(gòu)特征，從而導致LPBF合金不同平面上的機械性能和耐蝕性能差異。例如，Dai等人發(fā)現(xiàn)，LPBF Ti-6Al-4V在XY和XZ平面上的耐腐蝕性差異是由于α′馬氏體相和β-Ti相分布的數(shù)量不同，Kong等人將哈氏合金X合金的各向異性腐蝕行為歸結(jié)于微觀結(jié)構(gòu)差異，熔池邊界導致XZ平面的溶解速率更高。此外，LPBF合金的腐蝕行為還與晶體取向、殘余應力、沉淀分布等因素有關(guān)。因此，全面研究LPBF鋁合金不同平面的微觀結(jié)構(gòu)特征與相應腐蝕行為之間的相關(guān)性具有重要意義，特別是對于新型的LPBF高強鋁合金。

基于此，北京科技大學新材料技術(shù)研究院張博威、張百成等研究人員采用光學顯微鏡（OM）、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射儀（EBSD）及透射電子顯微鏡（TEM）對LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金不同平面的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征，并借助電化學測試、浸泡實驗、激光共聚焦顯微鏡（CLSM）、原子力顯微鏡（AFM）及X射線光電子能譜（XPS）對耐蝕性能及腐蝕行為進行了探究，系統(tǒng)地建立了LPBF-Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的微觀結(jié)構(gòu)特征與不同平面上腐蝕行為之間的聯(lián)系，總結(jié)了LPBF鋁合金在不同平面上的腐蝕機理，為新型LPBF鋁合金的進一步性能優(yōu)化和實際應用奠定了良好的基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果以題“Anisotropic response in corrosion behavior of laser powder bed fusion Al-Mn-Mg-Sc-Zr alloy”發(fā)表在腐蝕頂刊《Corrsion Science》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110634

圖1中XRD中衍射峰的偏移表明了LPBF鋁合金中過飽和固溶體的存在。如圖2、3和4所示，XZ平面呈現(xiàn)典型的柱狀晶細晶粒的雙峰晶粒分布，熔池內(nèi)部為晶粒尺寸在5-20μm之間沿溫度梯度生長形成的柱狀晶粒（CG），熔池邊界為亞微米級的細晶粒（FG），而XY平面由亞微米級的細晶粒及尺寸在1-5μm的胞狀晶粒（CEG）相間組成，XY平面的平均晶粒尺寸要明顯小于XZ平面。兩個平面大部分晶粒的晶界都是大角度晶界，只有XZ平面的CG區(qū)具有明顯的沿構(gòu)建方向的擇優(yōu)取向，且熔池邊界的缺陷密度明顯高于熔池內(nèi)部。

圖1 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金不同平面的XRD圖譜

圖2 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的微觀結(jié)構(gòu)和EBSD表征：(a)和(b)、(c)和(d)、(e)和(f)分別為XY及XZ平面的OM圖、IPF圖及晶粒尺寸分布圖。BD表示構(gòu)建方向，RD、TD表示垂直構(gòu)建方向平面中的兩個方向。

圖3 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金XY平面的EBSD分析結(jié)果：(a)和(e)、(b)和(f)、(c)和(g)、(d)和(h)分別為CEG區(qū)和FG區(qū)的IPF圖、晶界圖、KAM圖、極圖。

圖4 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金XZ平面的EBSD分析結(jié)果：(a)和(e)、(b)和(f)、(c)和(g)、(d)和(h)分別為CG區(qū)和FG區(qū)的IPF圖、晶界圖、KAM圖、極圖。

由圖5及6可得：LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金存在兩種類型的納米級析出相，富含Mn和Fe元素的Al6(Mn,Fe)亮白色顆粒及富含Sc和Zr元素的具有L12結(jié)構(gòu)的Al3(Sc,Zr)析出相。XY平面上析出相沿晶界大量分布，XZ平面上FG區(qū)這兩種析出相都存在，但CG區(qū)只存在沿晶界析出的Al6(Mn,Fe)顆粒，且FG區(qū)的析出相的數(shù)量密度明顯高于CG區(qū)。

圖5(a)LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金XY平面的HAADF-STEM圖像和相應的STEM-EDS圖；析出相的(b)BF-TEM和(c)DF-TEM圖;(d)Al3(Sc,Zr)析出相的SAED圖

圖6 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的XZ平面的(a)CG區(qū)和(b)FG區(qū)的HAADF-STEM圖和相應的STEM-EDS圖

由圖7、8、9和10可得：LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金展現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性，而由于XY平面具有更小的晶粒尺寸及更高的晶界密度促進氧化膜的產(chǎn)生使其耐蝕性優(yōu)于XZ平面；合金的表面存在主要由Al2O3和Al(OH)3組成的致密氧化膜，表面膜破裂后兩個平面熔池邊界的FG區(qū)優(yōu)先發(fā)生腐蝕；Al3(Sc,Zr)析出相電位明顯高于基體，作為微陰極相促進了周圍基體的溶解，而Al6(Mn,Fe)析出相為微陽極相會先于基體腐蝕；XY平面的CEG區(qū)及XZ平面的CG區(qū)的腐蝕情況遠沒有FG區(qū)嚴重，Al6(Mn,Fe)析出相對于腐蝕的影響遠遠小于Al3(Sc,Zr)微陰極相。

圖7 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金在3.5 wt.%NaCl溶液中的電化學測試結(jié)果：(a)動電位極化曲線；(b)Nyquist圖和等效電路。

圖8 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金浸入3.5 wt.%NaCl溶液后的腐蝕形態(tài)：(a)和(b)、(c)和(d)分別為浸泡1天后XY和XZ平面的OM圖、CLSM圖；(e)浸泡前XZ平面的EBSD圖，(f)浸泡7天后相同位置的SEM圖。

圖9 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的XZ平面的SKPFM結(jié)果：(a)表面形貌圖、(b)表面電位圖、(c)電位圖中表示的線的電位剖面圖；(d)和(e)分別是微侵蝕后XZ平面的FG和CG區(qū)的SEM形貌。

圖10 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金表面氧化膜(a)Al 2p、(b)O 1s、(c)Mg 1s和(d)Mn 2p的高分辨率XPS譜圖

圖11 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的(a)XY平面和(b)XZ平面的腐蝕機理示意圖

綜上所述：LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金XY平面上胞狀晶與細晶相間分布，XZ平面呈現(xiàn)柱狀等軸雙峰晶粒分布，Al3(Sc,Zr)納米析出相大量分布在熔池邊界細晶區(qū)而柱狀晶區(qū)只存在Al6(Mn,Fe)顆粒。不同平面的腐蝕行為存在差異，XY平面由于具有更高的晶界密度而展現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐蝕性，Al3(Sc,Zr)微陰極相在腐蝕過程中占據(jù)主導作用，使得熔池邊界成為了腐蝕優(yōu)先發(fā)生的區(qū)域，Al6(Mn,Fe)析出相作為陽極相會優(yōu)先發(fā)生腐蝕但其并不會對腐蝕造成很大的影響。