北京科技大学：增材制造具有纳米结构强化缺陷的细晶超高强度大块铝合金

来源：材料学网

导读：为了响应轻量化设计和碳中和的关键需求，北京科技大学黄禹赫等人推出了一种创新的增材制造超细晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，通过激光粉末床熔融(L-PBF)增强纳米结构平面缺陷，用于要求高强度和卓越延展性的复杂形状零件。由于l12有序Al3(Sc, Zr)纳米颗粒的不均匀分布，打印合金呈现出具有三模态晶粒分布的分层非均匀组织。在打印合金中有策略地引入了包括层错、9R相和纳米孪晶在内的定制平面缺陷。除了纳米级平面缺陷和三模态晶粒分布外，进一步的直接时效处理增加了纳米沉淀的丰度，使屈服强度达到656mpa，比迄今为止报道的几乎所有L-PBFed铝合金都要高，并且塑性达到7.2%。这项工作为高性能铝合金部件的近净成形技术铺平了道路。

激光粉末床熔融(L-PBF)作为一种典型的金属增材制造(AM)技术，由于其独特的能力，以巨大的几何自由度实现金属零件的快速制造，现在正在推动无数领域的创新。迄今为止，L-PBF已被用于制造一系列高性能金属材料，包括钢、铝合金、钛合金、高温合金和高熵合金。特别是由于各个行业(如航空航天和电动汽车)对超轻设计的需求不断增长，以及对提高能源效率和减少碳足迹的推动，增材制造的铝(Al)合金因其卓越的优势而越来越受欢迎，例如卓越的强度与重量比，良好的耐腐蚀性和丰富的地壳。

然而，目前的高强度锻造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其高热裂敏感性，表现出较差的增材制造印刷性能。这种脆弱性是由于L-PBF过程中复杂的热历史导致的长凝固温度范围和高残余应力导致的，从而导致较差的力学性能。缓解上述缺点的最有效策略是发展细晶结构，它赋予丰富的晶界(GBs)来破坏凝固过程中产生的应力，从而提高对热撕裂的抵抗力，从而有效地抑制裂纹。大量GBs的存在也阻碍了位错的迁移，提高了机械强度。从传统铸造工艺中汲取灵感，接种处理，包括引入晶格匹配的核粒(无论是原位形成还是外部添加)，和/或包含以高生长限制因子(即高Q值)为特征的有效溶质，可以执行以触发实质性的晶粒细化。这种处理往往导致L-PBF过程中的裂纹抑制和晶粒细化，从而产生具有理想力学响应的致密固结材料。近年来，通过加入合金元素(如Ti， Zr， Sc， Nb和Ta)或/和陶瓷颗粒(如TiC， TiN和TiB2)，开发了各种用于L-PBF的高强度铝合金。另外，我们最近的研究表明，在难以焊接的7075铝合金的L-PBF中加入Ti-6Al-4V (TC4)和Ti-22Al-25Nb (Ti2AlNb)合金粉末可以获得无裂纹和接近全密度的细化晶粒的部件。近年来，以Al- mg -Sc- zr和Al- mg - mn -Sc- zr合金为代表的L-PBFed含Sc / zr合金也得到了广泛关注并取得了一些商业成功，这些合金的显微组织和力学性能都得到了显著改善。尽管晶粒细化在这些合金中有有效的强化作用，但在强度和延展性之间取得令人满意的平衡对新开发的铝合金提出了重大挑战。这一挑战阻碍了L-PBFed铝合金更广泛的商业应用。

最近在开发高性能合金方面取得的突破揭示了引入纳米级强化平面缺陷(如孪晶界和层错(SFs))以提高机械性能的变革潜力。这种增强是实现显著延性的关键，因为它有助于分散应变流动。纳米级平面晶体缺陷作为晶体塑性的辅助管道，通过提供相互作用和存储场所，减少移动位错的平均自由路径，促进位错积累，有效扩大位错的存储容量，最终实现高强度和塑性的和谐平衡。这一现象已成功应用于以低层错能(SFE)为特征的高级合金系统中，例如锰钢和高至中熵或多主元素合金系统[24][25]。然而，由于Al的高SFE值(~ 166 mJ/m2)，将高密度SFs和纳米孪晶引入铝合金的微观结构设计策略面临挑战。理论上，铝的SFE只能通过合金化特定的溶质元素来微弱调节。不幸的是，大多数这些元素(除了Mg, Ag和Zn)在Al中的溶解度非常有限(见图S1，补充材料)，这限制了Al中SFE的可调性。通常，铝合金中的SFs或纳米孪晶只在经历了极端凝固或变形条件的特定微观结构中被检测到。如在极快冷却过程中磁控溅射制备的薄膜Al-Fe过饱和固溶体。对于块状铝合金来说，这些刨床缺陷往往是在剧烈塑性变形后获得的，以获得优异的力学性能。因此，采用L-PBF的特征加工路线，将纳米孪晶与纳米晶相结合，并结合多种强化机制(如GB强化、析出相强化)，可能是将理想的拉伸延展性与超高强度结合在一起的增材制造铝合金的有希望的途径。

本文提出了一种利用L-PBF在增材制造高性能铝合金中引入纳米级平面缺陷的有效方法。在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中加入SFs、纳米孪晶、9R相和超细晶粒(UFG)，在打印状态和热处理状态下均实现了优异的机械强度-塑性组合。通过调整Mg的含量，黄禹赫等人成功地降低了L-PBFed铝合金中包含平面强化缺陷的能垒，从而获得了优异的力学性能。基于edge-to-edge模型(E2EM)定量计算晶体匹配，以指导超细晶组织的形成。经过广泛纳米沉淀的热处理合金具有优异的屈服强度，高达656mpa，超过了以前报道的通过L-PBF生产的铝合金的值，同时仍然保持7.2%的中等延展性。这项工作不仅为高性能铝合金部件的快速成型奠定了坚实的基础，而且为将类似策略应用于其他合金提供了新的机会。

相关研究成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”发表在Materials Today上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24000877?via%3Dihub

图一所示。细晶无裂纹Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金L-PBF的理论计算。(a) FCC-Al和L12-Al3Sc的单元胞示意图;(b) FCC-Al与L12-Al3Sc原子间失配及面间距失配;(c) FCC-Al和L12-Al3Zr的单元胞示意图;(d) FCC-Al与L12-Al3Zr的原子间失配及面间距失配;(e)计算的Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的Scheil-Gulliver凝固曲线显示，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金在凝固初期析出约5%(按摩尔分数计算)的成核粒子L12-Al3(Sc, Zr);(f) Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn- sc - zr合金在L-PBF过程中的快速凝固过程示意图，显示了晶粒细化机制和裂纹行为。

图二所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的非均匀组织。(a) as打印Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的纵向EBSD反极(IPF)彩色图像;(b) Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的晶粒尺寸分布图和极形图;(c)打印样品的亮场TEM表征，显示三模态晶粒尺寸分布(即UFG, FG和CG);(d, e)晶粒内立方颗粒的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像及相应的能谱图;(f)沿h001i Al区轴在a-Al/L12-Al3(Sc, Zr)界面处拍摄的高分辨率TEM (HRTEM)图像及相应的快速傅里叶变换(FFT)图;(g-i)不同区域主要元素(Al, Mg, Mn, Sc, Zr)的STEM-EDS图谱，包括UFG区、UFG + FG区和UFG + FG + CG区。BD:建筑方向。

图三所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金纳米平面缺陷的微观结构。(a)一个晶粒内孪晶界的代表性TEM图像;(b)有代表性的HRTEM图像，显示纳米孪晶和9R相共存;(c)和(d) b中HRTEM图像的放大，显示CTB;(e) b中的放大HRTEM图像显示纳米孪晶和不同的9R相区;(f) 9R相HRTEM图像。图解表明9R相由9个{111}原子层组成，其中ABC/BCA/CAB/A…叠层顺序;(g) APT测量的原子图三维重建，显示了打印铝合金的晶内化学成分分布(Al, Mg, Mn, Sc, Zr);(h)整个样品的元素浓度分布图，附图显示Mg元素的等面分析(5 at%)。误差带表示平均值的标准偏差。注意，TEM图像是在h110i Al区轴上拍摄的。

图四所示。热处理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的显微组织表征。(a)热处理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的纵向EBSD IPF彩色图像;(b)热处理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的EBSD - PF图像和晶粒尺寸分布;(c)热处理样品的TEM表征显示大量析出物;(d) HAADF-STEM图像和相应的EDS图，显示元素的分布;(e) l12有序Al3(Sc, Zr)的HRTEM图像;(f) d1a有序Al4(Sc,Zr) (Ni4Mo型)的HRTEM图像和相应的FFT图像。

图五所示。l- pbfeal - mg - mn - sc - zr合金的力学性能。(a) L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的典型工程拉伸应力-应变曲线;(b) L-PBFed Al- mg - mn - sc - zr合金与其他L-PBFed铝合金(包括Al- si合金[53-60]、改性变形合金[8-10、16、17、61-69]和为L-PBF定制的高强度铝合金[70-79])和常规变形铝合金(包括2xxx、6xxx和7xxx系列高强度合金[80])的力学性能比较。注意，图5b中的“+”表示通过机械混合或球磨外部添加的粉末，“-”表示原位形成的颗粒(预合金粉末)。

在本工作中，黄禹赫等人成功地开发了一种通过L-PBF强化平面缺陷的增材制造的细晶高性能Al-Mg-MnSc-Zr纳米合金。得出以下结论:

（1）打印后的样品呈三模态分布，包括MP边界的UFG区，以及MP中心的FG区和UG区。

（2）在打印过程中，由于降低了SFE和强应力场，高密度的SFs、独特的9R相和纳米孪晶成功地融入到打印合金中。该合金的屈服强度高达461 MPa和a

高伸长率21%。

（3）直接时效导致纳米沉淀增强，同时保留了三模态晶粒尺寸分布和纳米尺寸的平面缺陷，共同导致屈服强度高达656mpa，中等塑性为7.2%。

总之，这项工作揭示了高性能铝合金L-PBF的替代途径，这有利于轻量化设计，降低燃料消耗，并且更小碳足迹，为扩大商业应用奠定基础。