中南大學(xué)在開發(fā)增材制造高強(qiáng)耐熱鋁合金方面取得重要進(jìn)展

來源：材料科學(xué)與工程

鋁合金以其質(zhì)輕、高比強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、軌道交通、汽車等領(lǐng)域的輕量化結(jié)構(gòu)。增材制造技術(shù)不受工藝條件的約束和限制，為航空航天等領(lǐng)域復(fù)雜鋁合金構(gòu)件（如復(fù)雜框梁、薄壁、內(nèi)流道結(jié)構(gòu)等）的定制化生產(chǎn)提供了前所未有的機(jī)遇。

然而，常見的鋁合金通常表現(xiàn)出較差的成形性，增材制造過程中極易出現(xiàn)裂紋等冶金缺陷，導(dǎo)致較差的力學(xué)性能。

目前，取得廣泛商業(yè)應(yīng)用的增材制造鋁合金僅限于AlSi12、AlSi10Mg等少數(shù)鋁硅系合金。而2xxx系和7xxx系等傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金因其較寬的凝固區(qū)間，在增材制造復(fù)雜熱應(yīng)力環(huán)境下極易產(chǎn)生嚴(yán)重的熱裂紋傾向，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用于增材制造鋁合金種類非常少，難以滿足承重、耐熱等復(fù)雜服役環(huán)境對鋁合金構(gòu)件的迫切需求。因此，亟需開發(fā)兼具良好成形性與強(qiáng)韌性的增材制造鋁合金。

良好的高溫穩(wěn)定性
近期，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳超和長沙理工大學(xué)的劉小春等人在開發(fā)增材制造高強(qiáng)耐熱鋁合金方面取得重要進(jìn)展。該工作基于Al−Ni共晶合金凝固區(qū)間小、流動性好等特點(diǎn)，有效降低了鋁合金在增材制造復(fù)雜熱應(yīng)力條件下的裂紋敏感性，在非常寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)合金內(nèi)部都沒有出現(xiàn)微裂紋。

選區(qū)激光熔化（SLM）增材制造過程的高冷卻速度還極大地細(xì)化了共晶組織，獲得了納米級球狀A(yù)l3Ni粒子均勻分布于鋁基體的粒狀共晶組織。相比于鋁硅系合金，Al−Ni共晶具有更高的共晶溫度 (640℃)、在鋁基體中更低的固溶度 (0.02wt.%) 以及更低的擴(kuò)散系數(shù)，形成的Al3Ni 粒子具有非常好的高溫穩(wěn)定性，增材制造的Al−Ni合金表現(xiàn)出較好的耐熱性能。

選區(qū)激光熔化成形Al−Ni共晶合金室溫抗拉強(qiáng)度超過400 MPa，室溫延伸率10%，300℃的抗拉強(qiáng)度超過140 MPa，同時(shí)還具有較寬的成形工藝窗口。

相關(guān)論文以題為“A high-strength heat-resistant Al−5.7Ni eutectic alloy with spherical Al3Ni nano-particles by selective laser melting”發(fā)表在期刊Scripta Materialia上。

SLM 成形的Al−Ni共晶合金致密度超過99.8%。在極高的冷卻速度下，合金晶粒細(xì)小，形成了平行于凝固方向的細(xì)小柱狀晶合金，在垂直于建造方向的橫截面和平行于建造方向的縱截面兩個(gè)截面統(tǒng)計(jì)晶粒大小分別為 5.1μm和7.1μm。

圖1 SLM成形Al-Ni合金的顯微組織：(a) SLM 示意圖；(b) 橫截面和 (c) 縱截面的EBSD圖；(d) 合金的晶粒尺寸分布；(e) KAM統(tǒng)計(jì)圖；(d) XRD。

亞晶和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，合金較高的平均局部取向差，反映了合金內(nèi)部較高的位錯密度。SLM成形的Al−Ni合金主要由α-Al相和Al3Ni相組成。不同于傳統(tǒng)鑄造Al−Ni合金中呈棒狀或纖維狀的Al3Ni相，SLM成形Al−Ni合金中的Al3Ni相為球狀，彌散分布于α-Al基體中，平均尺寸約為32nm。同時(shí)，α-Al基體中Ni元素的含量仍高達(dá)3.5wt.%，表明在SLM過程中極高的冷卻速度下，大量Ni原子固溶在α-Al基體中形成超飽和固溶體。部分尺寸較小的Al3Ni顆粒與α-Al基體存在著<110>Al//<113>Al3Ni、{111}Al//{211}Al3Ni的位相關(guān)系。

圖2 合金的TEM分析：(a) TEMBF；(b)HAADF；(c)面掃描；(d)線掃描。

圖3 Al3Ni與α-Al基體的位相關(guān)系：(a) HRTEM；(b) IFT，(c,d) FT。

SLM成形Al−Ni合金在室溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別為410 MPa、280 MPa和9.5%，遠(yuǎn)高于鑄造Al−Ni合金的性能。細(xì)小彌散分布的球狀A(yù)l3Ni粒子是高強(qiáng)度的重要來源。合金在250℃時(shí)仍保持210MPa的屈服強(qiáng)度，在300℃的屈服強(qiáng)度接近140 MPa，顯示出優(yōu)于Al-Si系合金的高溫力學(xué)性能。Ni原子在鋁基體中更低的擴(kuò)散系數(shù)（300℃下，dNi=2.7×10−17m2/s，dSi=2.6×10−16m2/s）和較低的固溶度保證了Al−Ni合金優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。

圖4 合金的力學(xué)性能：(a)應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b)柱狀圖。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114034