在增材制造的鋁合金中定制分層微觀結(jié)構(gòu)和納米析出相，同時提高強(qiáng)度和延展性

來源： 洞察金屬增材制造

鑒于綠色制造，減少碳排放的要求，增材制造（AM）鈦合金和鋁合金是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注和努力的方向，因為這兩種結(jié)構(gòu)材料的密度低，比強(qiáng)度高。近幾年，不斷有新型的高溫高強(qiáng)鋁合金以及高強(qiáng)高導(dǎo)熱鋁合金成功商業(yè)化的案例，比如A20X，CP1等。近來，來自上交的科研團(tuán)隊，研發(fā)出了高強(qiáng)鋁合金。

為了克服粉床選區(qū)激光熔覆（PBF-LB）過程中時效強(qiáng)化鋁合金中強(qiáng)度-韌性的難題，科研人員采用了以下策略：
1. 增加預(yù)合金化粉末中主要析出相形成元素Zn和Mg的含量，確保最終狀態(tài)下η'（MgZn2）析出相的數(shù)量；
2. 在粉末中添加納米Nb顆粒，促進(jìn)PBF-LB成型過程中的晶粒細(xì)化，從而抑制裂紋；
3. 采取固溶熱處理，通過調(diào)整再結(jié)晶晶粒的體積來獲得雙峰晶粒分布；
4. 采用峰值時效熱處理，旨在η'納米沉淀物完全析出。

用A20X粉末打印的樣件，圖源：Eckart

實驗設(shè)計
本研究選用高度合金化的Al-Zn-Mg-Cu-Nb鋁合金粉末，組分為Al-11Zn-2.4Mg-1.6Cu。先用電弧爐預(yù)合金化得到母合金，然后通過氣霧化制得球形粉末。該粉末與Nb納米顆粒（含量為1.5%）在TURBULA T2F中混合2 h。粉末的粒徑分布為D10 = 23μm, D50 = 42 μm, D90 = 78 μm。

由于低熔點元素如Zn和Mg易氣化，在PBF-LB構(gòu)建過程中引入了相對較大的氬氣氣流來去除飛濺物�；�板選用7075鋁合金，預(yù)加熱溫度為150℃，氧含量低于100 ppm。最終的合金成分為Al-9.5Zn-2.2Mg-1.6Cu-1.5Nb。

打印態(tài)的鋁合金經(jīng)過了固溶熱處理（在450-490 ℃保溫0-120 min，然后水淬）和在油浴爐里進(jìn)行峰值時效熱處理（在120 ℃保溫24 h）。

微觀組織及形成機(jī)理
在構(gòu)建態(tài)下，微觀組織呈全等軸晶，在每一個熔池中都有交替分布的超細(xì)晶粒（UFGs）和細(xì)晶粒（FGs），其中約70%為UFGs，約30%為FGs。這歸功于Al3Nb初生相的強(qiáng)形核能力。整個微觀組織以Al為集體相，初生相為Al3Nb，次生相主要為S (Al2CuMgNb) 和Al7Cu2Fe。

在450 ℃下，保溫20 min后，雙峰微觀組織轉(zhuǎn)變成了粗晶（CGs）和約18%的FGs。粗晶的含量隨固溶熱處理溫度的升高而增多。熔池底部的FGs保留了下來，頂部的UFGs明顯長粗了。FGs中的大角度晶界和小角度晶界無明顯變化，而CGs中的大角度晶界顯著減少了，表明粗晶是源于再結(jié)晶。

在450 ℃下，構(gòu)建態(tài)中的η'相在3 min內(nèi)能完全溶解，其中的Zn/Mg溶質(zhì)原子，可在短時間的固溶處理后用于后續(xù)的時效處理。

由于Nb納米顆粒的體積小，表面能大，所以在激光下會快速熔化。在激光掃過后，Nb與鋁反應(yīng)，形成Al3Nb的初生相，從熔液中析出。在UFGs區(qū)域，存在大量的Al3Nb初生相顆粒，相反，在FGs區(qū)域，僅有少量初生相Al3Nb，因為Nb溶解在Al基體里。這是由于熔池中心區(qū)域的冷卻速率比底部更高。初生相析出的臨界冷卻速率約為~8.08 × 10E6 K/s。

由于Al3Nb和基體Al之間存在較大的熱不匹配，因此界面處存在應(yīng)力集中和高密度的纏結(jié)位錯。這給固溶處理期間再結(jié)晶提供了高驅(qū)動力，最終導(dǎo)致UFGs轉(zhuǎn)變?yōu)镃Gs。

η相在溫度高于440 °C時開始溶解，S相在480 °C左右開始溶解，而 Al7Cu2Fe相則在500 °C以上溶解。由于Nb的擴(kuò)散速率很低，因此強(qiáng)化了S相的穩(wěn)定性，F(xiàn)Gs的保留很大程度上歸功于齊納釘扎力。

在490 ℃下，保溫60 min后，F(xiàn)Gs也發(fā)生了再結(jié)晶，因為部分次生相也溶解在了Al基體中。

△構(gòu)建態(tài)中Al3Nb初生相和Nb元素的分布圖

機(jī)械性能
下圖顯示了PBF-LB樣品經(jīng)過各種固溶處理和峰值時效強(qiáng)化后的拉伸結(jié)果。經(jīng)過450 °C/20 min固溶處理和峰值時效強(qiáng)化后，樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和良好的延展性，抗拉強(qiáng)度（UTS）和屈服強(qiáng)度（YS）分別高達(dá)728 MPa和 648 MPa，延伸率（EL）約為 5.1%。相比之下，經(jīng)過490 °C/60 min熱處理后的樣品強(qiáng)度明顯降低了，其中FGs和雙峰晶粒微觀結(jié)構(gòu)幾乎消失，但EL增至約 6.6%。

經(jīng)估算對比晶界強(qiáng)化 (σGB)、沉淀強(qiáng)化 (σP)、固溶強(qiáng)化 (σSS) 和彌散強(qiáng)化 (σDIS)，沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)度高的主因，歸因于在時效強(qiáng)化熱處理中析出的η'納米沉淀物的數(shù)量密度高。雙峰晶粒引起了異變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化。

△應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

△強(qiáng)度與應(yīng)變關(guān)系圖

結(jié)論
在凝固的熔池中產(chǎn)生的原生異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括交替分布的細(xì)晶粒（FGs）和超細(xì)晶粒（UFGs）區(qū)，以及非均勻分布的原生Al3Nb顆粒、位錯和殘余應(yīng)力，為再結(jié)晶提供了不同的驅(qū)動力和齊納釘扎，從而在固溶處理后形成了雙模晶粒結(jié)構(gòu)。雙峰晶粒結(jié)構(gòu)為合金提供了額外的強(qiáng)化機(jī)制：HDI強(qiáng)化和HDI加工硬化。由于η′納米沉淀物的數(shù)量密度很高，因此析出硬化效果極佳，同時也提高了合金的強(qiáng)度和延展性。

該研究中涉及的策略易于實施并可節(jié)省相關(guān)成本，同時也適用于其他熱處理合金，如通過PBF-LB、直接能量沉積（DED）和電子束熔化（PBF-EB）等各種AM技術(shù)加工的銅合金、鈦合金、鎂合金、鎳基超合金和鋼。


參考資料：
[1] https://doi.org/10.1038/s43246-024-00489-1