性能堪比锻造！西工大黄卫东教授团队选择性激光熔化高强高韧 Al-Mg-Sc-Zr 合金

来源：材料学网

导读：实现高强度和高韧性是对结构材料的关键要求之一。然而，强度和韧性通常是相互排斥的。在这里，本文报告了一种选择性激光熔化的 Al-Mg-Sc-Zr 合金，它具有良好的强度和韧性组合，可与 7075-T651 高强度锻造铝合金相媲美。尽管由于二次 Al 3 (Sc,Zr) 纳米沉淀物导致的有序平面滑移导致脆性裂纹，但通过与其超细和异质微观结构相关的多种内在/外在增韧机制，有效地提高了断裂韧性。目前的工作为制造高强度和高韧性的铝基合金提供了一种有效的策略。

高强度铝合金由于其众所周知的优越比强度而被用作商用和军用飞机的主要结构材料。对于大多数对安全至关重要的应用，高断裂韧性是满足损伤容限设计要求的关键特性之一。然而，韧性通常随着强度的提高而降低，这被称为强度-韧性权衡. 这导致设计者可以安全使用的高强度铝合金的屈服强度受到限制。因此，在高强度铝合金的制造中需要处理这种冲突的新策略。

选择性激光熔化(SLM) 是一种越来越重要的增材制造(AM) 技术，可以直接制造复杂的金属部件。除了提高设计灵活性和高材料利用率等优点外，SLM 工艺的另一个重要优点是熔池凝固过程中的高冷却速度 (~10 5 –10 6 K/s)，这提供了快速凝固制备具有超细和亚稳态微结构的高性能材料的条件 。基于此，SLM 处理的 Sc/Zr 改性的 Al-Mg 和 Al-Mn 基合金实现了与高强度 7xxx 锻造铝基合金相当的高屈服强度。

通常，断裂韧性与裂纹尖端和局部微观结构之间的相互作用有关。特别地，SLM处理的Al-Mg（Mn）的-Sc -锆合金不仅具有超细第二相粒子也呈现明显的异质的α-Al基体组织（具有等轴和柱状晶粒混合）。此外，激光轨迹的重叠进一步在宏观尺度上产生了空间异质微结构。因此，它们的断裂韧性将与裂纹尖端与超细和异质微观结构之间的相互作用有关。

在此，西北工业大学黄卫东教授团队报告了一种 SLM 处理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金，具有良好的强度和韧性组合，可与 7075-T651 锻造铝合金相媲美。基于与超细和异质微观结构相关的内在和外在增韧机制，讨论了良好的强度-韧性协同作用的潜在机制。相关研究成果以题“Making selective-laser-melted high-strength Al–Mg–Sc–Zr alloy tough via ultrafine and heterogeneous microstructure”发表在国际著名期刊Scripta materialia上。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646221003328


图1 SEM 图像显示了 SLM 处理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金中的异质微观结构（a，b）；EBSD图显示了非均质 α-Al 晶粒结构 (c)；UFG 带和 CG 域中的晶粒尺寸分布 (d)；建筑方向如（a）中的黄色箭头所示。


图2 BF 图像 (a)、Mg (b)、Sc (c)、Zr (d)、Mn (f)、Fe (g)、Si (h) 和 HAADF 图像 (e) 的 STEM-EDS 映射结果显示了SLM 处理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金中亚微米级的第二相颗粒；HAADF 图像、沿 <001> 轴 (ik) 截取的 Sc 元素的 STEM-EDS 映射结果，以及确认二次 Al 3 (Sc,Zr)-L1 2析出物有序结构的 FFT 模式 (l) 。

Al-Mg-Sc-Zr合金的工程应力-应变曲线和载荷-裂纹张开位移(COD)曲线分别如图3a和图b所示。由于缺乏与晶粒超细化相关的位错积累，合金在拉伸试验中表现出较低的屈服点延伸率和整体应变硬化能力。在断裂韧性试验中，SLM-H和SLM-V试样在载荷曲线中均表现出突现特征。表1列出了屈服强度、极限抗拉强度(ovrs)、断裂延伸率(ef)、面积收缩率(RA)弹性模量(E)、应变硬化指数(n)和平面应变断裂韧性(Krc)。结果表明，该合金的抗拉强度各向异性较低，而拉伸延性(ef和R4)各向异性明显。SLM-V试件的拉伸延性低于SLM-H试件，这是表现为剪切唇区越少SLM-V标本(图3)。slm制备的Al- mg - sc - zr合金具有良好的强度和韧性组合，与7075- t651高强度变形铝合金相当。SLM-V和SLM-H试件的建筑方向与拉伸轴线的关系如图3d所示。


图3 SLM处理的Al-Mg-Sc-Zr合金的工程应力-应变曲线（a）、载荷-COD曲线（b），（a）中的插图显示了拉伸试样和剪切唇的典型宏观断裂特征区域通过箭头表示；SLM 加工的 Al-Mg-Sc-Zr 合金与典型 2xxx、7xxx 和 Al-Li锻造合金的强度和韧性的比较（c）；SLM-H/SLM-V 试样的拉伸轴与构建方向之间的关系概述。


图 4 (a) SLM 处理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金内在和外在增韧机制的示意图；(b) 在SLM-H (b) 和 SLM-V(c) 试样的断裂韧性测试后，在分离的断裂面上检查的代表性宏观特征；SEM、OM 和EBSD特征在分离的断裂表面和沿裂纹扩展方向的截面上进行检查，显示了 SLM-H(d) 和 SLM-V(e) 的外在增韧机制（裂纹偏转和裂纹分支）标本。

总之，由于熔池凝固过程中初生 Al 3 (Sc,Zr) 相的高冷却速率和不均匀析出，在 SLM 处理的 Al-Mg-Sc -Zr合金中获得了超细且非均质的显微组织。成分颗粒的超细化促进了内在增韧，而非均质 α-Al 基体微观结构诱导了外在增韧机制，如裂纹偏转或分支。尽管由于二次 Al 3 (Sc,Zr) 纳米析出物导致的有序平面滑移导致脆性裂纹，但断裂韧性通过与超细和异质微观结构相关的多种内在/外在增韧机制得到有效改善。这项研究展示了一种制造高强度和高韧性铝基合金的新策略。