性能媲美鍛造，西工大黃衛東教授團隊開發3D打印高強、高韌鋁合金

高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)鋁合金(jin)由(you)于優秀的比強(qiang)(qiang)(qiang)度已成為商用(yong)(yong)和軍(jun)用(yong)(yong)飛(fei)機主要(yao)的結構材料(liao)。對(dui)于大多數(shu)對(dui)安全至關重要(yao)的應用(yong)(yong)，高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度和高(gao)韌性是(shi)對(dui)結構材料(liao)的關鍵要(yao)求。然而(er)(er)，強(qiang)(qiang)(qiang)度和韌性通常相互排斥，韌性會隨著強(qiang)(qiang)(qiang)度的提(ti)高(gao)而(er)(er)降低，導致設計者可以安全使用(yong)(yong)的高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度鋁合金(jin)的屈服強(qiang)(qiang)(qiang)度受到限制。

近期，西北(bei)工業大學黃衛東教授課題組開發(fa)了一種采用(yong)SLM技術3D打印(yin)的(de)Sc/Zr改性Al-Mg和Al-Mn基合(he)(he)金(jin)，具有良(liang)好的(de)強度(du)和韌性組(zu)合(he)(he)，實現了與高(gao)強度7xxx鍛造(zao)鋁(lv)合金(jin)相當的高(gao)屈服強度，為制造高(gao)強、高(gao)韌(ren)鋁(lv)合金提供了一種有效的策略。

激(ji)光增(zeng)材制造(zao)鋁合金及其復(fu)合材料的力學(xue)性能(neng)

通常，斷(duan)裂韌性(xing)與裂紋尖(jian)端和局部微觀(guan)結構(gou)之間(jian)的(de)相(xiang)互作用(yong)(yong)有關。特(te)別地，采用(yong)(yong)SLM技(ji)術3D打印的(de)Al-Mg（Mn）-Sc-Zr合金不僅(jin)具有超細第二相(xiang)顆粒，而(er)且在(zai)整個熔池中還存在(zai)明顯的(de)的(de)非(fei)均相(xiang)α-Al基體組織（混合了等軸晶(jing)(jing)和柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)）。此(ci)外(wai)，激光軌跡的(de)重疊進一步在(zai)宏觀(guan)尺度上(shang)產生了空間(jian)非(fei)均勻(yun)的(de)微結構(gou)。因此(ci)，其斷(duan)裂韌性(xing)與裂紋尖(jian)端以及超細非(fei)均勻(yun)微觀(guan)結構(gou)之間(jian)的(de)相(xiang)互作用(yong)(yong)有關。

本研(yan)究中的(de)Al-Mg-Sc-Zr粉末(mo)采用真空感應氣體霧化(VIGA)工藝制備，粉(fen)末化(hua)學成分為Al-4.66Mg-0.48Mn-0.72Sc-0.33Zr-0.12Fe-0.03Si(wt.%)，并使用EOS M280 3D打印機制造。采用優化的工藝參(can)數可(ke)實現(xian)高于99.4%的致密(mi)度，打印完的樣品在325°C下直接時效(xiao)4小(xiao)時（峰值時效(xiao)），以(yi)引(yin)入二次Al3(Sc,Zr)析出物實現沉淀(dian)強(qiang)化(hua)。

以往有研(yan)究發現，采用SLM技術打印的Al-3Mg-0.2Sc-0.1Zr(wt.%)合(he)金由(you)柱狀(zhuang)晶粒(li)構(gou)成。而在本研(yan)究中，由于提高了Sc、Zr的(de)含量，獲得了由細晶粒和粗晶粒交替組成的非均勻晶粒組織。在熔池尺度上，顯微組織由熔合邊界處的等軸晶帶和熔池內部的扇形柱狀晶區組成，異質晶粒結構的起源歸因于整個熔池中初級Al3(Sc,Zr)相（有效的成核位點）的不均勻沉淀。由于原生Al3的富集(Sc,Zr)顆粒和高冷(leng)卻速(su)率，等軸晶(jing)粒帶中的晶(jing)粒被顯著細化(hua)為超(chao)細晶(jing)粒(0.1–1μm)，其比鑄(zhu)態(tai)Al-0.7Sc合金（25±2.7-70±4.6μm)小一個數量級。

傳統(tong)的(de)高強度鍛造鋁(lv)合金(jin)通(tong)常包含三種類型(xing)的(de)第二相顆粒：在凝固過程(cheng)中形成(cheng)的粗顆粒(li)（直徑約1-10μm）；在鑄錠均勻化過(guo)程中形成的中間彌散體（直徑約(yue)0.1μm）；以及在時(shi)效過程中形成的納米級沉(chen)淀物實現了沉(chen)淀強化。與傳統(tong)鍛造鋁(lv)合金相(xiang)比，SLM加(jia)工(gong)的(de)Al-Mg-Sc-Zr合金中(zhong)第二相(xiang)顆粒特(te)征的(de)關鍵區別在于成分(fen)顆粒的(de)顯著(zhu)細化。由于熔(rong)池凝(ning)固過(guo)程中的高冷卻速度，組成(cheng)顆粒的尺寸被超細化至50-200nm，體積(ji)分數約為(wei)1%。因此，直接時效后合金(jin)的成(cheng)分和彌散顆粒很難區(qu)分。在直接時(shi)效過程中，在α-Al基體中形成了納(na)米級（半(ban)徑約2nm）的二次Al3(Sc,Zr)析出物。

由于缺(que)乏與(yu)晶粒超(chao)細化相關的(de)(de)位(wei)錯積累，該(gai)合(he)(he)金(jin)在(zai)拉(la)伸試(shi)(shi)驗(yan)期間表現(xian)(xian)出較低的(de)(de)屈服伸長率和整體應變硬化能(neng)力。試(shi)(shi)驗(yan)結果表明，該(gai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)抗(kang)拉(la)強度(du)各(ge)向異性較低，而延(yan)展性體現(xian)(xian)出各(ge)向異性的(de)(de)特(te)點。將SLM 加(jia)工的(de)(de)Al-Mg-Sc-Zr 合(he)(he)金(jin)的(de)(de)強度(du)和韌性與(yu)傳統的(de)(de)2xxx、7xxx 和Al-Li 鍛造(zao)鋁合(he)(he)金(jin)進行比較發現(xian)(xian)，前(qian)者具有良好的強(qiang)度(du)和韌性組合，性能堪比7075-T651高強(qiang)鍛造鋁(lv)合金(jin)。

所開發的鋁(lv)合金的應力應變曲線及其與(yu)傳統(tong)高(gao)強(qiang)鋁(lv)合金的強(qiang)韌性比較

從斷裂(lie)力學的角度來看(kan)，金屬基材料的斷裂(lie)過程(cheng)可以看(kan)作是內在(zai)損(sun)傷/增韌和(he)外在(zai)增韌過程(cheng)的綜合(he)結果(guo)。內(nei)在(zai)損(sun)傷取決于微觀結構的(de)特(te)征，一般涉及裂(lie)紋尖端前塑性區第(di)二相粒子的(de)開裂(lie)或脫粘(zhan)以及基體相的(de)晶(jing)間(jian)或穿晶(jing)斷裂(lie)等過(guo)程，內(nei)在(zai)增韌機制阻礙了可能的(de)損(sun)害行為。相比之下，外部增韌機制如裂(lie)紋偏轉和裂(lie)紋從I型方向分叉，通常會(hui)導(dao)致(zhi)I型裂(lie)紋擴展驅動力的(de)損(sun)失。

據報道，鋁基合金的(de)固有(you)損傷過(guo)程取決于(yu)多尺度第二相粒(li)子的(de)特性。通(tong)常，納米(mi)析出物在很大程度上控制了滑移和變形行為，并(bing)間接影響合金的(de)斷裂(lie)韌(ren)性。組(zu)成(cheng)顆(ke)粒(li)和分散(san)體通(tong)過(guo)影響空隙的(de)成(cheng)核、生長和聚結直接影響斷裂(lie)韌(ren)性。當基體塑性變形時，大的(de)組(zu)成(cheng)顆(ke)粒(li)很容易開裂(lie)，而(er)中(zhong)間彌散(san)體具有(you)較強的(de)抗裂(lie)紋能力。

總之，對于SLM處(chu)理的Al-Mg-Sc-Zr合(he)金，由(you)于熔(rong)池凝固過(guo)程(cheng)中初生Al3 (Sc,Zr) 相的高(gao)冷卻速(su)率和(he)不均勻析(xi)出，在(zai)(zai)合金中獲得了(le)超細(xi)且非均質的顯微(wei)組織。成(cheng)分顆粒的超細(xi)化促進了(le)內在(zai)(zai)增(zeng)(zeng)韌(ren)(ren)(ren)，而非均質 α-Al 基體(ti)微(wei)觀結(jie)構(gou)誘導了(le)外在(zai)(zai)增(zeng)(zeng)韌(ren)(ren)(ren)機制(zhi)，如裂紋偏轉或分支等。盡管由于(yu)二次Al 3 (Sc,Zr) 納米析(xi)出物導致(zhi)的有(you)序(xu)平面滑移導致(zhi)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)裂紋，但斷裂韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)(xing)通過與(yu)超細(xi)和(he)異質微(wei)觀結(jie)構(gou)相關(guan)的多(duo)種內在(zai)(zai)/外在(zai)(zai)增(zeng)(zeng)韌(ren)(ren)(ren)機制(zhi)得到有(you)效改善。這(zhe)項研究展示(shi)了(le)一種制(zhi)造高(gao)強度和(he)高(gao)韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)(xing)鋁(lv)基合金的新(xin)策略。