选择性激光熔融高强度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金:抑制裂纹和多重强化机制

供稿人:周航 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

铝及其合金是仅次于钢的应用最广泛的结构材料之一，选择性激光熔化（SLM）是发展最广泛的增材制造方法之一。然而，SLM部件常存在开裂、球化和气孔等冶金缺陷，只有有限数量的金属适合打印具有令人满意密度、所需微观结构和强度的部件。为了开发用于选择性激光熔化（SLM）添加剂制造的高强度铝合金，中南大学李瑞迪等人设计制造了一系列Al-Mg(-Si)-Sc-Zr合金。在无硅条件下，所研制的Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr（x=1.5,3.0和6.0wt%）合金均易发生热裂纹。在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%Si，有效地抑制了SLM过程中的热裂纹，且极大的细化了晶粒。

图1 Mg和Si元素对SLM印刷样品凝固裂纹和相的影响。数字（a~d） 显示75 J/mm3 VED下SLM打印样品的光学显微照片。（a1）和（a2）：含1.5 wt% Mg的#1合金；（b1）和（b2）：含3.0 wt% Mg的#2合金；（c1）和（c2）：含6.0 wt% Mg的#3合金；（d1）和（d2）：含6.0 wt%Mg+1.3 wt% Si的#4合金。构建方向是从下到上。

图2 EBSD图显示了不同成分下印刷样品的晶粒尺寸和形貌。(a) 1号合金1.5 wt% Mg;(b) 2号合金3.0 wt% Mg;(c) 3号合金6.0 wt% Mg;(d) 4号合金，6.0 wt% Mg+1.3 wt% Si。用反极图(IPF)表示铝的结晶取向。构建方向是从下到上。

通过进一步细化合金成分，设计了一种新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。这种新合金显示出明显细化的微观结构，包括亚微米胞体和相干的Al3(Sc，Zr)纳米粒子（2~15nm）存在于晶胞和晶间Al-Mg2Si共晶（Mg2Si直径为10~100nm）。

图3 铸造合金#5在360°C时效8h后的显微组织。（a）胞体的明亮场TEM图像；（b）取自（a）显示Al3(Sc，Zr)纳米沉淀的明亮场TEM图像；（C）HRTEM图像（a）显示9R相和FCC α-Al基体，嵌入SAD图案确认9R相。带有CTB或ITB的9R相界用红点线标记；（d、e、f）图（c）中三个方框的HRTEM图像显示了9R和包含畸变9R结构的FCC α-Al基体之间的扩散区。

在铝合金类中，固溶强化、晶界强化、加工硬化和沉淀/弥散硬化是得到充分证明的强化机制。#5合金样品中形成了高密度的层错和独特的9R相，其拉伸强度和伸长率分别达到497mpa和11%。经过对各强化机制强化效果进行计算，作者认为高密度叠加缺陷(SFs)和9R长周期有序叠加(LPSO)相强化机制提供了额外强化。时效处理后，抗拉强度达到550mpa，塑性在8%~17%之间。

参考文献：
Li, R., et al., Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: Crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms. Acta Materialia, 2020. 193: p. 83-98.