本文介紹中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馬宗義、肖伯律研究員團(tuán)隊(duì)最近在JMST上發(fā)表的關(guān)于增材制造制備超高強(qiáng)鋁合金的研究論文。

　　背景和問題

增材制造技術(shù)為高效生產(chǎn)鋁合金構(gòu)件提供了機(jī)會(huì)，尤其是在航空航天和汽車工業(yè)中。然而，高強(qiáng)度鋁合金的增材制造仍面臨高裂紋敏感性的挑戰(zhàn)。目前，商業(yè)鋁合金在200–450°C范圍內(nèi)不適合結(jié)構(gòu)應(yīng)用，存在技術(shù)空白。因此，需要為激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)設(shè)計(jì)高性能的高溫鋁合金，以填補(bǔ)傳統(tǒng)鋁合金與鈦合金之間的差距。

　　主要方法

研究中設(shè)計(jì)并采用激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)制備了Al-Fe-V-Si-Sc合金。通過調(diào)整激光工藝參數(shù)，成功制備了無裂紋且接近完全致密的樣品。LPBF過程的極高冷卻速率（約10?–10?K/s）促進(jìn)了合金中多尺度相的形成。具體方法包括：

粉末制備：采用氣霧化技術(shù)制備預(yù)合金化的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si-0.3Sc粉末。

LPBF工藝：使用Renishaw AM400機(jī)器進(jìn)行打印，通過高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)熔池穩(wěn)定性。

后處理：樣品在325°C下人工時(shí)效2小時(shí)后空冷。

微觀結(jié)構(gòu)表征：采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射、透射電子顯微鏡和原子探針斷層掃描（APT）等技術(shù)

力學(xué)性能測(cè)試：室溫和高溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)量硬度和屈服強(qiáng)度等性能指標(biāo)。

　　結(jié)果和意義

在熔池中心形成了晶態(tài)/非晶態(tài)復(fù)合結(jié)構(gòu)，在熔池邊界形成了多種納米級(jí)析出相，這些結(jié)構(gòu)顯著提高了合金的強(qiáng)度。

室溫下，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到865 MPa，屈服強(qiáng)度為649 MPa，表現(xiàn)出超高強(qiáng)度。

在20°C至400°C的溫度范圍內(nèi)，合金展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

非晶態(tài)與晶態(tài)的協(xié)同變形、高密度ScV原子團(tuán)簇、多種析出相（如Al?Fe?Si、Al??V、Al?Fe和Al?Sc）的協(xié)同作用，以及異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化（HDI）共同作用，顯著提高了合金的強(qiáng)度。

通過添加Sc元素，有效抑制了熱裂紋的形成，同時(shí)提高了合金的高溫性能。

該研究為高性能鋁合金的設(shè)計(jì)提供了新的思路，特別是在航空航天領(lǐng)域的高溫應(yīng)用中具有重要意義。通過優(yōu)化LPBF工藝參數(shù)，成功制備了無裂紋、高致密的鋁合金，為增材制造技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)件制造中的應(yīng)用提供了有力支持。

　　論文信息

Ultrahigh strength heat-resistant Al-Fe-V-Si-Sc alloy fabricated by laser powder bed fusion

Xu Tang,Hao Zhang,Peng Xue,Lihui Wu,Junfan Zhang,Lifeng Zhang,Fengchao Liu,Dingrui Ni,Bolv Xiao,Zongyi Ma

通訊作者：張昊（中科院金屬所），肖伯律（中科院金屬所）

Journal of Materials Science&Technology,Available online 1 May 2025

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.060

論文部分圖片，Xu Tang et al.,JMST,2025