激光粉末床熔合（LPBF）是一種基于金屬的增材制造（AM）技術(shù)，其利用高能激光束熔化定制幾何形狀的金屬組件。然而，LPBF超高冷卻速率（105-108K/s）和大的熱梯度會(huì)導(dǎo)致柱狀晶的定向生長或沉淀物沿構(gòu)建方向（BD）分布，導(dǎo)致LPBF成形金屬組件的各向異性的力學(xué)性能。近年來，Sc和Zr改性鋁合金因其優(yōu)異的激光打印性和高強(qiáng)度引起了金屬AM領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。打印的Sc改性鋁合金具有柱狀/等軸雙峰晶粒結(jié)構(gòu)，與LPBF中傳統(tǒng)的柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械各向異性的影響是一個(gè)值得研究的課題。熱處理（HT）是提高打印鋁合金的力學(xué)性能的必要條件。然而，由HT產(chǎn)生的Al3Sc或Al6Mn的二次沉淀物對(duì)力學(xué)各向異性的影響仍然是一個(gè)懸而未決的問題。因此，迫切需要系統(tǒng)準(zhǔn)確地表征LPBF成形鋁合金在不同特處理?xiàng)l件下的各向異性微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的拉伸行為研究，以促進(jìn)其應(yīng)用。

近日，北京科技大學(xué)曲選輝教授研究團(tuán)隊(duì)為了探討激光粉末床熔合高強(qiáng)度鋁合金的力學(xué)各向異性，采用LPBF方法沿X、Y、Z軸和45°各方向制備了Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金組件，并對(duì)其進(jìn)行了一系列不同的熱處理。研究結(jié)果表明，Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金通過Al6Mn和Al3Sc沉淀物的協(xié)同增強(qiáng)，硬等軸晶區(qū)和軟柱狀晶區(qū)之間的最佳協(xié)同作用，促進(jìn)了打印態(tài)和熱處理態(tài)合金組件在不同拉伸方向上的力學(xué)性能各向同性。本研究為獲得LPBF構(gòu)建的具有機(jī)械各向同性和期望強(qiáng)度的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金提出了一條有效的途徑，具有較大的實(shí)際應(yīng)用潛力。相關(guān)工作以“Novel isotropic mechanical properties of laser powder-bed fusion Sc/Zr modified Al alloy”為題發(fā)表在《Materials Science and Engineering:A》上。張百成，高磊教授為論文通訊作者，孫金娥為論文第一作者。

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https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145003

圖2 (a)沿X、Y、Z軸和45?方向打印組件的設(shè)計(jì)模型；(b)打印的拉伸試樣圖；(c)拉伸試樣的幾何形狀和尺寸

在最佳的工藝參數(shù)：掃描速度850 mm/s，激光功率320 W，層厚30μm，艙口間距90μm下，所有打印態(tài)Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金及在300℃進(jìn)行2h和5h的熱處理試樣均是高度致密的，沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋等冶金缺陷。熱處理前后試樣均呈現(xiàn)分層柱狀晶/等軸晶雙峰結(jié)構(gòu)，柱狀晶（CG）沿BD方向分布在熔池的中心，它被等軸晶（EG）包圍（圖5），其中CG區(qū)域具有優(yōu)先的<100>取向，EG區(qū)域沒有明顯取向（圖6），二者的體積比例約為3：2。

圖5 (a)打印態(tài)、(b)AT2h和(c)AT5h試樣的EBSD圖；（d-e）（a-c）對(duì)應(yīng)的極圖

圖6 (a)CG和(b)EG區(qū)域的EBSD圖；（c-d）（a-b）對(duì)應(yīng)的極圖

Al6Mn相主要分布在CG區(qū)域。在300℃熱處理2h后，Al6Mn的尺寸和數(shù)量顯著增加。其形態(tài)由初級(jí)棒狀變成球形，當(dāng)時(shí)間增加到5h時(shí)，Al6Mn的尺寸進(jìn)一步增加到100 nm，但沉淀位點(diǎn)的數(shù)量減少（圖8）。而Al3Sc和Al3(Sc,Zr)沉析于EG區(qū)域,在300℃熱處理2h和5h后，二次Al3Sc相顯著增加（圖9）。

圖8 （a-b）打印態(tài)，（d-e）AT2h和（g-h）AT5h試樣TEM圖像，及CG區(qū)域的Mn,Mg,Sc和Zr元素對(duì)應(yīng)的EDX圖。（c,f,i）Al6Mn在不同熱處理后發(fā)生沉淀演化。

圖9 （a-c）打印態(tài)、（d-f）AT2h和（g-i）AT5h樣品的EG區(qū)域中富Sc沉淀的TEM圖和SAED圖。

所有打印和熱處理的試樣在不同的拉伸方向上都獲得了明顯的力學(xué)性能各向同性。打印態(tài)和熱處理試樣沿所有拉伸方向的強(qiáng)度變化僅為1.3-2%。（圖10）

圖10 (a)打印態(tài)、AT2h和AT5h試樣沿X軸方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)打印態(tài)試樣沿不同拉伸方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c)Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金在AT2h、AT5h前后沿X、Y、Z軸和45°方向的拉伸性能

打印態(tài)、熱處理態(tài)試樣中的等軸晶/柱狀晶雙峰微觀結(jié)構(gòu)主要來源于LPBF加工過程中Sc和Mn元素的不同沉淀行為。在較低的凝固速度下，初級(jí)Al3(Sc,Zr)相主要在固/液界面前沿沉析，它們作為低能壘非均勻成核位點(diǎn)，導(dǎo)致EG形成。隨著凝固的進(jìn)行，熔池中心陡峭的熱梯度促進(jìn)了CG的形成。形成的等軸晶/柱狀晶雙峰結(jié)構(gòu)由多尺度二次沉淀物裝飾。二次Al3Sc相主要集中在EG區(qū)，熱處理后其數(shù)量不斷增加，尺寸保持穩(wěn)定（圖12）。這是由于Sc的低擴(kuò)散系數(shù)導(dǎo)致的。而鋁基體中Mn是過飽和且具有高濃度，顯著改善了熱處理過程中Mn在鋁基體中的擴(kuò)散。另一方面，LPBF過程引起的位錯(cuò)作為擴(kuò)散路徑加速M(fèi)n的擴(kuò)散，最終以粗大的Al6Mn形式沉淀在柱狀晶界上。

圖12 打印態(tài)，AT2h和AT5h試樣中Mn和Sc的擴(kuò)散和沉淀行為引起的微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖

根據(jù)經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系，雙峰非均勻晶粒結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致EG和CG區(qū)域之間的力學(xué)不均質(zhì)性。打印態(tài)和熱處理試樣顯示出相當(dāng)大的機(jī)械異質(zhì)性，打印態(tài)和熱處理試樣的EG區(qū)域的顯微硬度均比CG區(qū)域高6-13 HV（圖14）。所有試樣均形成了一個(gè)軟、硬交替相鄰的雙峰聯(lián)級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖14 在顯微硬度測試后（a,d,g）打印態(tài),（b,e,h）AT2h和（c,f,i）AT5h試樣EG和CG區(qū)域的OM圖像和顯微硬度

此外，在打印態(tài)和熱處理態(tài)試樣中加工硬化曲線上顯示出小拉伸應(yīng)變狀態(tài)下的瞬態(tài)硬化（圖15(a)中以紅色框架標(biāo)記的拐點(diǎn)）。這種獨(dú)特的行為只有在這兩種結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整體時(shí)才能產(chǎn)生，這已被具有獨(dú)立的細(xì)粒表面層和粗粒芯[42]的IF鋼所證實(shí)。因此，這是柔軟的CG區(qū)域與硬化的EG區(qū)域二者交替承載連續(xù)應(yīng)變的結(jié)果，其中，CG區(qū)域的承載能力則由于粗大Al6Mn相誘發(fā)的內(nèi)部微裂紋而逐漸降低（對(duì)應(yīng)階段I），而EG區(qū)域的承載能力由于細(xì)小的等軸晶和Al3Sc的沉淀而顯著增加（對(duì)應(yīng)階段Ⅱ）。EG/CG雙峰晶粒結(jié)構(gòu)形變?cè)韴D如圖15（b）所示。正如所預(yù)期的那樣，在試樣沿X、Y、Z軸和45°方向的拉伸變形時(shí)，首先，軟CG區(qū)域的屈服導(dǎo)致應(yīng)力松弛，然后應(yīng)力轉(zhuǎn)移到硬EG區(qū)域。從軟CG區(qū)到硬EG區(qū)的應(yīng)力分配通常持續(xù)增加，直到斷裂。因此，無論拉伸方向如何，都可以通過軟硬交替分層結(jié)構(gòu)以相互協(xié)調(diào)的變形方式緩沖變形，顯著降低了力學(xué)各向異性。而多尺度沉淀物可以在增加強(qiáng)度的同時(shí)，保持機(jī)械各向同性。

此外，軟硬層次結(jié)構(gòu)顯示出高變形能力，允許相鄰柱狀和等軸晶粒在熔體池邊界的兼容變形。最終，Al6Mn和Al3Sc的多尺度沉淀行為使強(qiáng)度從453 MPa持續(xù)增強(qiáng)到577 MPa，而塑性從14.1%降低到2.3%。優(yōu)異的強(qiáng)度主要?dú)w因于Al6Mn和Al3Sc沉淀物的固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和Orowan位錯(cuò)強(qiáng)化。特別是在多尺度Al6Mn和Al3Sc沉淀物的聯(lián)合強(qiáng)化作用下，以及硬等軸晶和軟柱狀晶的良好協(xié)作下，所有打印態(tài)和熱處理態(tài)試樣在不同拉伸方向上獲得了明顯的力學(xué)性能各向同性。

圖15 (a)打印態(tài)，AT2h和AT5h試樣的工作硬化速率曲線；(b)等軸晶/柱狀晶雙峰結(jié)構(gòu)變形示意圖.