增材制造手艺特有的全数字化、高柔性以及关于重大构件快速近净成形的优势 ，在近30年来获得了快速生长 ，而激光粉末床熔融 (L-PBF)手艺则是快速制造重大细密金属零件的主要途径。铝合金作为一种有前途的高强度和轻质结构质料而备受关注。然而 ，将基于古板铸造或铸造工艺开发的铝合金直接用于L-PBF碰面临许多挑战 ，如强度缺乏、易开裂、孔隙率较高等等。因此 ，开发一种顺应L-PBF工艺的新型铝合金 ，使其具有较高的成形特征并兼具优良的机械性能成为现在金属增材制造领域的研究热门。
克日 ，西北工业大学金属高性能增材制造研究团队团结比利时荷语鲁汶大学乐成制备了一种适用于L-PBF手艺的新型Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金。该合金在L-PBF快速凝固时 ，在熔池界线形建设方体状的初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12颗粒 ，其中Zr、Sc和Hf的元素漫衍匀称。后续直接时效热处置惩罚增进了大宗纳米/亚微米尺寸棒状Al6Mn沉淀物和少量球形Al3(Sc,Zr,Hf)纳米颗粒的析出。Zr/Sc/Hf改性的Al-Mn-Mg合金体现出中等的加工硬化能力以及强度和韧性的优异匹配。相关事情以“Development of a high strength Zr/Sc/Hf-modified Al-Mn-Mg alloy using Laser Powder Bed Fusion: design of a heterogeneous microstructure incorporating synergistic multiple strengthening mechanisms”为题在增材制造领域顶刊Additive Manufacturing上揭晓。论文第一作者为西北工业大学李秋歌副研究员 ，西北工业大学林鑫教授和比利时鲁汶大学李桂川博士为配合通讯作者 ，西北工业大学为第一通讯单位。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102967
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图1 (a) Al3(Sc,Zr,Hf) (c) Al6Mn和(e) Al12Mg17的HAADF-STEM图像, (b) (a)中选定区域的HRTEM图像和插入图像显示Al3(Sc,Zr,Hf)相的FFT模式, (d) Al6Mn和(f) Al12Mg17对应的FFT谱图,(e)中插入的图像为放大的Al12Mg17的原子排列.
凭证图1中的HRTEM图像丈量它们的晶格平面距离 ，确定Al3(Sc,Zr,Hf)和α-Al相的晶格参数划分为0.4044±0.009和0.4037±0.006 nm ，具有低至0.2%的晶格错配度。析出相与基体极小的晶格失配导致与α-Al基体具有优异的共格性 ，包管了极佳的析出强化和有用对抗奥斯特瓦尔德熟化效果。
在晶粒内部和晶界处保存富Mn相颗粒 ，由HAADF-STEM图像和响应的FFT谱图确定 ，这些富Mn相是初生Al6Mn相。Mg在晶界和胞界也体现出稍微的偏析倾向 ，可以视察到少量Al12Mg17相。
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图2 Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在325℃时效10h后的显微组织和XRD谱图
时效历程中没有爆发显着的晶粒长大且时效后大宗棒状析出相匀称疏散在合金中 ，是亚微米级的Al6Mn析出相�；故硬斓缴倭壳蛐蔚腁l3(Sc,Zr,Hf)-L12纳米沉淀物 ，这些纳米沉淀物的数目密度较低 ，粒径较小(2.9±1.2 nm) ，Zr, Sc和Hf没有显着的偏析 ，可能与合金中Sc含量较低(0.19 wt%)以及Zr和Hf在铝合金中的缓慢扩散有关。
Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的沉积态试样屈服强度为438±3 MPa ，抗拉强度为504±2 MPa ，断后伸长率为10.9±1.4%。在325℃直接时效热处置惩罚10h后 ，合金的屈服强度提高到了487±2 MPa, 抗拉强度提高到了542±3 MPa ，断后伸长率略有降低 ，为7.4±0.7%。别的 ，真应力-应变曲线批注 ，该合金在沉积态和热处置惩罚条件下均体现出中等的加工硬化能力 ，为93~113 MPa。该合金的综协力学性能优于大大都L-PBF加工的Al-Si(Mg)合金、2xxx、7xxx及Al-Mg-Sc-Zr系列铝合金和一些铸造2024铝合金 ，并可与高强度铸造7075铝合金相媲美。
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图3(a) Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在沉积态和热处置惩罚态的工程拉伸应力-应变曲线和(b)真拉伸应力-应变曲线, (c)与2024,7075铸造铝合金和L-PBF制备的2xxx, 7xxx系列合金、Al-Si (Mg)和Al-Mg-Zr-Sc合金的拉伸性能较量
在Al-Mn-Mg合金中引入过渡元素Zr、Sc和Hf的缘故原由之一是引入双态微观组织。由于L-PBF历程中重大的激光-物质相互作用和热转达 ，单个熔池在温度梯度、固/液界面的凝固速率和最终冷却速率方面保存差别。对L-PBF历程的多物理场有限元模拟批注 ，在熔池界线处 ，凝固速率和冷却速率较低 ，并且朝着熔池中心一直增添。这导致在熔池界线优先形成初生Al3(Sc,Zr,Hf)相 ，从而导致显着的双态微观组织 ，在熔池中心形成柱状晶粒 ，在熔池界线形成等轴晶粒。
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图4(a)和(b)显示了实验视察到的微结构的形成, (c)盘算竞争的初生Al3(Sc ，Zr ，Hf)-L12和α-Al相的形核时间, 两条冷却曲线代表熔池中心(MPC)和熔池界线(MPB), (d)当保存初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12相形成时显示等轴晶粒的MPB和当Zr, Sc和Hf被限制在α-Al中时柱状晶粒的MPC之间的两个差别区域
质料优异的力学性能归因于多种强化机制 ，包括晶界强化、固溶强化、沉淀强化、位错强化等。然而 ，由于溶质原子的位错钉扎和细晶粒结构中缺乏可动位错 ，一些高强铝合金的加工硬化能力很是有限。加工硬化与位错的积累和变形质料中位错密度的增添有关。非匀称微观组织可以通过爆发特另外几何须要位错来爆发亘古未有的加工硬化能力。由于熔池中凝固参数的局部转变 ，L-PBF提供有利条件来形成局部奇异的异质微观组织。本研究事情开发的该种新型铝合金 ，既具有优异的L-PBF加工性能 ，又不保存凝固裂纹或显着的气孔 ，同时兼具高强度和延展性以及中等的加工硬化能力。所提出的合金设计战略可以为工程应用高强度铝合金的开发提供指导。
泉源：质料科学与工程
