在增材制造的铝合金中定制分层微观结构和纳米析出相，同时提高强度和延展性

来源： 洞察金属增材制造

鉴于绿色制造，减少碳排放的要求，增材制造（AM）钛合金和铝合金是工业界和学术界共同关注和努力的方向，因为这两种结构材料的密度低，比强度高。近几年，不断有新型的高温高强铝合金以及高强高导热铝合金成功商业化的案例，比如A20X，CP1等。近来，来自上交的科研团队，研发出了高强铝合金。

为了克服粉床选区激光熔覆（PBF-LB）过程中时效强化铝合金中强度-韧性的难题，科研人员采用了以下策略：
1. 增加预合金化粉末中主要析出相形成元素Zn和Mg的含量，确保最终状态下η'（MgZn2）析出相的数量；
2. 在粉末中添加纳米Nb颗粒，促进PBF-LB成型过程中的晶粒细化，从而抑制裂纹；
3. 采取固溶热处理，通过调整再结晶晶粒的体积来获得双峰晶粒分布；
4. 采用峰值时效热处理，旨在η'纳米沉淀物完全析出。

用A20X粉末打印的样件，图源：Eckart

实验设计
本研究选用高度合金化的Al-Zn-Mg-Cu-Nb铝合金粉末，组分为Al-11Zn-2.4Mg-1.6Cu。先用电弧炉预合金化得到母合金，然后通过气雾化制得球形粉末。该粉末与Nb纳米颗粒（含量为1.5%）在TURBULA T2F中混合2 h。粉末的粒径分布为D10 = 23μm, D50 = 42 μm, D90 = 78 μm。

由于低熔点元素如Zn和Mg易气化，在PBF-LB构建过程中引入了相对较大的氩气气流来去除飞溅物。基板选用7075铝合金，预加热温度为150℃，氧含量低于100 ppm。最终的合金成分为Al-9.5Zn-2.2Mg-1.6Cu-1.5Nb。

打印态的铝合金经过了固溶热处理（在450-490 ℃保温0-120 min，然后水淬）和在油浴炉里进行峰值时效热处理（在120 ℃保温24 h）。

微观组织及形成机理
在构建态下，微观组织呈全等轴晶，在每一个熔池中都有交替分布的超细晶粒（UFGs）和细晶粒（FGs），其中约70%为UFGs，约30%为FGs。这归功于Al3Nb初生相的强形核能力。整个微观组织以Al为集体相，初生相为Al3Nb，次生相主要为S (Al2CuMgNb) 和Al7Cu2Fe。

在450 ℃下，保温20 min后，双峰微观组织转变成了粗晶（CGs）和约18%的FGs。粗晶的含量随固溶热处理温度的升高而增多。熔池底部的FGs保留了下来，顶部的UFGs明显长粗了。FGs中的大角度晶界和小角度晶界无明显变化，而CGs中的大角度晶界显著减少了，表明粗晶是源于再结晶。

在450 ℃下，构建态中的η'相在3 min内能完全溶解，其中的Zn/Mg溶质原子，可在短时间的固溶处理后用于后续的时效处理。

由于Nb纳米颗粒的体积小，表面能大，所以在激光下会快速熔化。在激光扫过后，Nb与铝反应，形成Al3Nb的初生相，从熔液中析出。在UFGs区域，存在大量的Al3Nb初生相颗粒，相反，在FGs区域，仅有少量初生相Al3Nb，因为Nb溶解在Al基体里。这是由于熔池中心区域的冷却速率比底部更高。初生相析出的临界冷却速率约为~8.08 × 10E6 K/s。

由于Al3Nb和基体Al之间存在较大的热不匹配，因此界面处存在应力集中和高密度的缠结位错。这给固溶处理期间再结晶提供了高驱动力，最终导致UFGs转变为CGs。

η相在温度高于440 °C时开始溶解，S相在480 °C左右开始溶解，而 Al7Cu2Fe相则在500 °C以上溶解。由于Nb的扩散速率很低，因此强化了S相的稳定性，FGs的保留很大程度上归功于齐纳钉扎力。

在490 ℃下，保温60 min后，FGs也发生了再结晶，因为部分次生相也溶解在了Al基体中。

△构建态中Al3Nb初生相和Nb元素的分布图

机械性能
下图显示了PBF-LB样品经过各种固溶处理和峰值时效强化后的拉伸结果。经过450 °C/20 min固溶处理和峰值时效强化后，样品展现出优异的强度和良好的延展性，抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）分别高达728 MPa和 648 MPa，延伸率（EL）约为 5.1%。相比之下，经过490 °C/60 min热处理后的样品强度明显降低了，其中FGs和双峰晶粒微观结构几乎消失，但EL增至约 6.6%。

经估算对比晶界强化 (σGB)、沉淀强化 (σP)、固溶强化 (σSS) 和弥散强化 (σDIS)，沉淀强化是强度高的主因，归因于在时效强化热处理中析出的η'纳米沉淀物的数量密度高。双峰晶粒引起了异变形诱导（HDI）强化。

△应力应变曲线图

△强度与应变关系图

结论
在凝固的熔池中产生的原生异质结构，包括交替分布的细晶粒（FGs）和超细晶粒（UFGs）区，以及非均匀分布的原生Al3Nb颗粒、位错和残余应力，为再结晶提供了不同的驱动力和齐纳钉扎，从而在固溶处理后形成了双模晶粒结构。双峰晶粒结构为合金提供了额外的强化机制：HDI强化和HDI加工硬化。由于η′纳米沉淀物的数量密度很高，因此析出硬化效果极佳，同时也提高了合金的强度和延展性。

该研究中涉及的策略易于实施并可节省相关成本，同时也适用于其他热处理合金，如通过PBF-LB、直接能量沉积（DED）和电子束熔化（PBF-EB）等各种AM技术加工的铜合金、钛合金、镁合金、镍基超合金和钢。


参考资料：
[1] https://doi.org/10.1038/s43246-024-00489-1