導(dǎo)讀

金屬增材制造（亦稱3D打?。┘夹g(shù)作為一種先進(jìn)的材料成形工藝，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計與成型及高性能合金的設(shè)計與開發(fā)提供了新的機(jī)遇。在雙碳約束與加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力戰(zhàn)略的背景下，市場對產(chǎn)品輕質(zhì)高強(qiáng)化的需求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，因此具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件受到航空航天、汽車工業(yè)和國防工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。立足于此，本文研究了通過引入納米尺度的面缺陷（如層錯，孿晶界，9R相）和細(xì)化的多模態(tài)晶粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金優(yōu)異力學(xué)性能的可能性。研究結(jié)果顯示，打印態(tài)和熱處理態(tài)鋁合金均展示出卓越的力學(xué)性能且無明顯各向異性。其中，熱處理態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度達(dá)到了迄今為止幾乎所有L-PBF生產(chǎn)的鋁合金中最高水平（~656 MPa），同時具有可觀的延伸率（~7.2%）。這項工作為用于先進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高性能鋁合金部件的近凈成形鋪平了道路，有利于輕量化設(shè)計和減少碳足跡。

圖文簡介

高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和豐富的地殼資源等特性使高強(qiáng)鋁合金成為航空航天、交通和軍工等領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料。金屬增材制造作為一種靈活高效的制造方式為高性能鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用提供了新機(jī)遇。然而，盡管高強(qiáng)鋁合金在先進(jìn)工程應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在金屬增材制造中尚未廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零部件。目前，大多數(shù)鋁合金的金屬增材制造局限于近共晶的鋁硅成分（如AlSi10Mg），雖然這些成分容易加工，但力學(xué)性能較差，難以滿足市場需求。而具有最佳性能的沉淀硬化鋁合金（如2xxx或7xxx系列）由于凝固溫度區(qū)間大，在打印過程的極端凝固條件下極易發(fā)生熱裂現(xiàn)象，從而難以制備。

受傳統(tǒng)鑄造過程中的孕育處理啟發(fā)，通過原位形成或外部引入與鋁基體晶格匹配的異質(zhì)形核顆粒，和/或含有高生長限制因子（即高Q值）的有效溶質(zhì)，可以在打印過程中引發(fā)顯著的晶粒細(xì)化。這種處理通常會導(dǎo)致L-PBF過程中的裂紋抑制和晶粒細(xì)化，從而產(chǎn)生具有優(yōu)異力學(xué)性能的材料。近年來，通過摻入合金元素（如Ti、Zr、Sc、Nb、Ta）或/和陶瓷顆粒（如TiC、TiN、TiB2），已經(jīng)開發(fā)出用于L-PBF的各種高強(qiáng)鋁合金。例如，我們最近的研究表明將商用Ti-6Al-4V（TC4）和Ti-22Al-25Nb（Ti2AlNb）合金粉末添加到難焊接的7075鋁合金中可以打印出具有無裂紋，晶粒細(xì)化且拉伸性能良好的試樣。此外，近年來以此思想開發(fā)的商用鋁合金（如空客Scalmalloy合金）也受到了廣泛關(guān)注，并取得了工業(yè)應(yīng)用。然而，這些合金在強(qiáng)度和延展性之間難以實現(xiàn)令人滿意的平衡，對打印鋁合金的更廣泛的商業(yè)部署與工業(yè)應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

最近在開發(fā)高性能金屬材料取得的突破揭示了引入納米級強(qiáng)化面缺陷（如孿晶邊界，層錯，9R相）以提高力學(xué)性能的變革潛力。以納米孿晶為例，其作為一種特殊的微觀組織可為金屬材料帶來諸如高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點。但迄今為止，相關(guān)研究大多局限于具有中、低層錯能的金屬材料(如銅和銀等)，在具有高層錯能的金屬(如鋁)中則很難形成納米孿晶組織。對于工業(yè)上廣泛使用的鋁及鋁合金而言，如果能形成這些納米級的面缺陷進(jìn)行強(qiáng)化，則有望大幅度提高其強(qiáng)度，從而擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍。通常而言，將鋁與低層錯能金屬（如鐵，銀，鎂等）復(fù)合，可以在超快速凝固條件下（如物理氣相沉積）形成具有納米孿晶的鋁基薄膜。這種制備方法工藝復(fù)雜、條件嚴(yán)苛，同時需要利用低層錯能金屬作為孿晶源以誘發(fā)孿晶生長且僅能制備薄膜材料。對于塊狀材料而言，目前主要是通過嚴(yán)重塑性變形(SPD)來引入這些納米尺度的面缺陷進(jìn)行強(qiáng)化，其實際應(yīng)用受到限制。因此，如何能在更加簡單的條件下直接制備出納米面缺陷強(qiáng)化的塊狀鋁材料目前仍是國際性難題，相關(guān)研究具有重要的理論意義與實用價值。

針對上述問題，香港城市大學(xué)呂堅院士團(tuán)隊、北京科技大學(xué)毛新平院士團(tuán)隊聯(lián)合南方科技大學(xué)朱強(qiáng)教授團(tuán)隊與澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊提出了一種通過激光粉末床熔融增材制造技術(shù)制備具有超細(xì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)與納米尺度面缺陷強(qiáng)化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料，其兼具超高強(qiáng)度與高塑性。在合金設(shè)計過程中，由于Mg元素在具有低密度，在鋁中固溶度高且能有效地調(diào)節(jié)鋁的層錯能等因素，因此研究團(tuán)隊以典型的高M(jìn)g含量的5083鋁合金（Al-Mg-Mn系）為基礎(chǔ)合金以期引入納米尺度的面缺陷。通過邊邊匹配模型（E2EM）的晶體學(xué)計算，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)與Al基體晶體學(xué)匹配最好且熱力學(xué)穩(wěn)定（不會發(fā)生同素異構(gòu)體相變）的是Al-Sc包晶反應(yīng)生成的L12型Al3Sc相，其能有效地促進(jìn)晶粒細(xì)化。為防止原位生成的Al3Sc在熱處理過程中粗化，還選擇了鋁中熱擴(kuò)散速率較慢且與鋁能生成良好匹配Al3Zr相的Zr元素。

實驗結(jié)果表明，打印態(tài)鋁合金展示出三模態(tài)晶粒分布的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)：超細(xì)等軸晶，細(xì)等軸晶與細(xì)小柱狀晶，這主要是由于Al3(Sc,Zr)顆粒的不均勻析出造成。進(jìn)一步的微觀組織表征還發(fā)現(xiàn)了納米尺度的面缺陷，包括高密度的層錯，孿晶界與9R相（通常認(rèn)為是非共格孿晶界的擴(kuò)展造成的）。打印態(tài)的合金展示出優(yōu)異的力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度~461 MPa，延伸率~21％。為進(jìn)一步增幅沉淀強(qiáng)化效果，采用直接時效熱處理（300攝氏度下4小時）促進(jìn)大量納米強(qiáng)化相的析出。同時，打印態(tài)組織中的納米級面缺陷和三模態(tài)晶粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱處理后也得以保留，這成就了超高強(qiáng)度與優(yōu)異塑性的結(jié)合。熱處理態(tài)合金~656MPa的屈服強(qiáng)度超過了之前報道的幾乎所有增材制造高強(qiáng)鋁合金與鍛造鋁合金。

相關(guān)成果以題為“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects"發(fā)表在頂尖期刊《Materials Today》上，通訊作者為香港城市大學(xué)工學(xué)院院長呂堅院士，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系朱強(qiáng)講席教授，昆士蘭大學(xué)機(jī)械及采礦工程學(xué)院張明星教授和北京科技大學(xué)碳中和研究院黃禹赫博士。香港城市大學(xué)博士生李干和江西寶航新材料技術(shù)總監(jiān)趙春祿為論文共同第一作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124000877

圖1 基于邊-邊匹配模型的晶體學(xué)計算與鋁合金凝固路徑（正文圖1）

圖2 鋁合金粉末與打印試樣缺陷表征（附件圖2）

圖3 打印態(tài)鋁合金中具有三模態(tài)晶粒分布的分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)（正文圖2）

圖4 打印態(tài)鋁合金中的納米級面缺陷（正文圖3）

圖5 熱處理態(tài)合金的微觀組織表征（正文圖4）

圖6 鋁合金的拉伸性能（正文圖5）

圖7 拉伸斷裂后鋁合金中的面缺陷（附件圖12）