北京科技大學(xué)：增材制造具有納米結(jié)構(gòu)強化缺陷的細(xì)晶超高強度大塊鋁合金

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：為了響應(yīng)輕量化設(shè)計和碳中和的關(guān)鍵需求，北京科技大學(xué)黃禹赫等人推出了一種創(chuàng)新的增材制造超細(xì)晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，通過激光粉末床熔融(L-PBF)增強納米結(jié)構(gòu)平面缺陷，用于要求高強度和卓越延展性的復(fù)雜形狀零件。由于l12有序Al3(Sc, Zr)納米顆粒的不均勻分布，打印合金呈現(xiàn)出具有三模態(tài)晶粒分布的分層非均勻組織。在打印合金中有策略地引入了包括層錯、9R相和納米孿晶在內(nèi)的定制平面缺陷。除了納米級平面缺陷和三模態(tài)晶粒分布外，進一步的直接時效處理增加了納米沉淀的豐度，使屈服強度達到656mpa，比迄今為止報道的幾乎所有L-PBFed鋁合金都要高，并且塑性達到7.2%。這項工作為高性能鋁合金部件的近凈成形技術(shù)鋪平了道路。

激光粉末床熔融(L-PBF)作為一種典型的金屬增材制造(AM)技術(shù)，由于其獨特的能力，以巨大的幾何自由度實現(xiàn)金屬零件的快速制造，現(xiàn)在正在推動無數(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。迄今為止，L-PBF已被用于制造一系列高性能金屬材料，包括鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金和高熵合金。特別是由于各個行業(yè)(如航空航天和電動汽車)對超輕設(shè)計的需求不斷增長，以及對提高能源效率和減少碳足跡的推動，增材制造的鋁(Al)合金因其卓越的優(yōu)勢而越來越受歡迎，例如卓越的強度與重量比，良好的耐腐蝕性和豐富的地殼。

然而，目前的高強度鍛造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其高熱裂敏感性，表現(xiàn)出較差的增材制造印刷性能。這種脆弱性是由于L-PBF過程中復(fù)雜的熱歷史導(dǎo)致的長凝固溫度范圍和高殘余應(yīng)力導(dǎo)致的，從而導(dǎo)致較差的力學(xué)性能。緩解上述缺點的最有效策略是發(fā)展細(xì)晶結(jié)構(gòu)，它賦予豐富的晶界(GBs)來破壞凝固過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高對熱撕裂的抵抗力，從而有效地抑制裂紋。大量GBs的存在也阻礙了位錯的遷移，提高了機械強度。從傳統(tǒng)鑄造工藝中汲取靈感，接種處理，包括引入晶格匹配的核粒(無論是原位形成還是外部添加)，和/或包含以高生長限制因子(即高Q值)為特征的有效溶質(zhì)，可以執(zhí)行以觸發(fā)實質(zhì)性的晶粒細(xì)化。這種處理往往導(dǎo)致L-PBF過程中的裂紋抑制和晶粒細(xì)化，從而產(chǎn)生具有理想力學(xué)響應(yīng)的致密固結(jié)材料。近年來，通過加入合金元素(如Ti， Zr， Sc， Nb和Ta)或/和陶瓷顆粒(如TiC， TiN和TiB2)，開發(fā)了各種用于L-PBF的高強度鋁合金。另外，我們最近的研究表明，在難以焊接的7075鋁合金的L-PBF中加入Ti-6Al-4V (TC4)和Ti-22Al-25Nb (Ti2AlNb)合金粉末可以獲得無裂紋和接近全密度的細(xì)化晶粒的部件。近年來，以Al- mg -Sc- zr和Al- mg - mn -Sc- zr合金為代表的L-PBFed含Sc / zr合金也得到了廣泛關(guān)注并取得了一些商業(yè)成功，這些合金的顯微組織和力學(xué)性能都得到了顯著改善。盡管晶粒細(xì)化在這些合金中有有效的強化作用，但在強度和延展性之間取得令人滿意的平衡對新開發(fā)的鋁合金提出了重大挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)阻礙了L-PBFed鋁合金更廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

最近在開發(fā)高性能合金方面取得的突破揭示了引入納米級強化平面缺陷(如孿晶界和層錯(SFs))以提高機械性能的變革潛力。這種增強是實現(xiàn)顯著延性的關(guān)鍵，因為它有助于分散應(yīng)變流動。納米級平面晶體缺陷作為晶體塑性的輔助管道，通過提供相互作用和存儲場所，減少移動位錯的平均自由路徑，促進位錯積累，有效擴大位錯的存儲容量，最終實現(xiàn)高強度和塑性的和諧平衡。這一現(xiàn)象已成功應(yīng)用于以低層錯能(SFE)為特征的高級合金系統(tǒng)中，例如錳鋼和高至中熵或多主元素合金系統(tǒng)[24][25]。然而，由于Al的高SFE值(~ 166 mJ/m2)，將高密度SFs和納米孿晶引入鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計策略面臨挑戰(zhàn)。理論上，鋁的SFE只能通過合金化特定的溶質(zhì)元素來微弱調(diào)節(jié)。不幸的是，大多數(shù)這些元素(除了Mg, Ag和Zn)在Al中的溶解度非常有限(見圖S1，補充材料)，這限制了Al中SFE的可調(diào)性。通常，鋁合金中的SFs或納米孿晶只在經(jīng)歷了極端凝固或變形條件的特定微觀結(jié)構(gòu)中被檢測到。如在極快冷卻過程中磁控濺射制備的薄膜Al-Fe過飽和固溶體。對于塊狀鋁合金來說，這些刨床缺陷往往是在劇烈塑性變形后獲得的，以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。因此，采用L-PBF的特征加工路線，將納米孿晶與納米晶相結(jié)合，并結(jié)合多種強化機制(如GB強化、析出相強化)，可能是將理想的拉伸延展性與超高強度結(jié)合在一起的增材制造鋁合金的有希望的途徑。

本文提出了一種利用L-PBF在增材制造高性能鋁合金中引入納米級平面缺陷的有效方法。在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中加入SFs、納米孿晶、9R相和超細(xì)晶粒(UFG)，在打印狀態(tài)和熱處理狀態(tài)下均實現(xiàn)了優(yōu)異的機械強度-塑性組合。通過調(diào)整Mg的含量，黃禹赫等人成功地降低了L-PBFed鋁合金中包含平面強化缺陷的能壘，從而獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能�；�于edge-to-edge模型(E2EM)定量計算晶體匹配，以指導(dǎo)超細(xì)晶組織的形成。經(jīng)過廣泛納米沉淀的熱處理合金具有優(yōu)異的屈服強度，高達656mpa，超過了以前報道的通過L-PBF生產(chǎn)的鋁合金的值，同時仍然保持7.2%的中等延展性。這項工作不僅為高性能鋁合金部件的快速成型奠定了堅實的基礎(chǔ)，而且為將類似策略應(yīng)用于其他合金提供了新的機會。

相關(guān)研究成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”發(fā)表在Materials Today上。

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圖一所示。細(xì)晶無裂紋Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金L-PBF的理論計算。(a) FCC-Al和L12-Al3Sc的單元胞示意圖;(b) FCC-Al與L12-Al3Sc原子間失配及面間距失配;(c) FCC-Al和L12-Al3Zr的單元胞示意圖;(d) FCC-Al與L12-Al3Zr的原子間失配及面間距失配;(e)計算的Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的Scheil-Gulliver凝固曲線顯示，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金在凝固初期析出約5%(按摩爾分?jǐn)?shù)計算)的成核粒子L12-Al3(Sc, Zr);(f) Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn- sc - zr合金在L-PBF過程中的快速凝固過程示意圖，顯示了晶粒細(xì)化機制和裂紋行為。

圖二所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的非均勻組織。(a) as打印Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD反極(IPF)彩色圖像;(b) Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的晶粒尺寸分布圖和極形圖;(c)打印樣品的亮場TEM表征，顯示三模態(tài)晶粒尺寸分布(即UFG, FG和CG);(d, e)晶粒內(nèi)立方顆粒的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像及相應(yīng)的能譜圖;(f)沿h001i Al區(qū)軸在a-Al/L12-Al3(Sc, Zr)界面處拍攝的高分辨率TEM (HRTEM)圖像及相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)圖;(g-i)不同區(qū)域主要元素(Al, Mg, Mn, Sc, Zr)的STEM-EDS圖譜，包括UFG區(qū)、UFG + FG區(qū)和UFG + FG + CG區(qū)。BD:建筑方向。

圖三所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金納米平面缺陷的微觀結(jié)構(gòu)。(a)一個晶粒內(nèi)孿晶界的代表性TEM圖像;(b)有代表性的HRTEM圖像，顯示納米孿晶和9R相共存;(c)和(d) b中HRTEM圖像的放大，顯示CTB;(e) b中的放大HRTEM圖像顯示納米孿晶和不同的9R相區(qū);(f) 9R相HRTEM圖像。圖解表明9R相由9個{111}原子層組成，其中ABC/BCA/CAB/A…疊層順序;(g) APT測量的原子圖三維重建，顯示了打印鋁合金的晶內(nèi)化學(xué)成分分布(Al, Mg, Mn, Sc, Zr);(h)整個樣品的元素濃度分布圖，附圖顯示Mg元素的等面分析(5 at%)。誤差帶表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。注意，TEM圖像是在h110i Al區(qū)軸上拍攝的。

圖四所示。熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的顯微組織表征。(a)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD IPF彩色圖像;(b)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的EBSD - PF圖像和晶粒尺寸分布;(c)熱處理樣品的TEM表征顯示大量析出物;(d) HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS圖，顯示元素的分布;(e) l12有序Al3(Sc, Zr)的HRTEM圖像;(f) d1a有序Al4(Sc,Zr) (Ni4Mo型)的HRTEM圖像和相應(yīng)的FFT圖像。

圖五所示。l- pbfeal - mg - mn - sc - zr合金的力學(xué)性能。(a) L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的典型工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b) L-PBFed Al- mg - mn - sc - zr合金與其他L-PBFed鋁合金(包括Al- si合金[53-60]、改性變形合金[8-10、16、17、61-69]和為L-PBF定制的高強度鋁合金[70-79])和常規(guī)變形鋁合金(包括2xxx、6xxx和7xxx系列高強度合金[80])的力學(xué)性能比較。注意，圖5b中的“+”表示通過機械混合或球磨外部添加的粉末，“-”表示原位形成的顆粒(預(yù)合金粉末)。

在本工作中，黃禹赫等人成功地開發(fā)了一種通過L-PBF強化平面缺陷的增材制造的細(xì)晶高性能Al-Mg-MnSc-Zr納米合金。得出以下結(jié)論:

（1）打印后的樣品呈三模態(tài)分布，包括MP邊界的UFG區(qū)，以及MP中心的FG區(qū)和UG區(qū)。

（2）在打印過程中，由于降低了SFE和強應(yīng)力場，高密度的SFs、獨特的9R相和納米孿晶成功地融入到打印合金中。該合金的屈服強度高達461 MPa和a

高伸長率21%。

（3）直接時效導(dǎo)致納米沉淀增強，同時保留了三模態(tài)晶粒尺寸分布和納米尺寸的平面缺陷，共同導(dǎo)致屈服強度高達656mpa，中等塑性為7.2%。

總之，這項工作揭示了高性能鋁合金L-PBF的替代途徑，這有利于輕量化設(shè)計，降低燃料消耗，并且更小碳足跡，為擴大商業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。