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西工大頂刊發文：增材制造高強韌鋁合金 異質微觀組織+多種強化機制！
專欄：行業資訊
發布日期：2022-07-07
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作者：新材料在線
增材制造技術特有的全數字化、高柔性以及對于復雜構件快速近凈成形的優勢，在近30年來得到了快速發展，而激光粉末床熔融 (L-PBF)技術則是快速制造復雜精密金屬零件的主要途徑。鋁合金作為一種有前途的高強度和輕質結構材料而備受關注。然而，將基于傳統鑄造或鍛造工藝開發的鋁合金直接用于L-PBF會面臨許多挑戰，如強度不足、易開裂、孔隙率較高等等。因此，開發一種適應L-PBF工藝的新型鋁合金，使其具有較高的成形特性并兼具優良的機械性能成為目前金屬增材制造領域的研究熱點。近日，西北工業大學金屬高性能增材制造研究團隊聯合比利時荷語魯汶大學成功制備了一種適用于L-PBF技術的新型Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金。該合金在L-PBF快速凝固時，在熔池邊界形成立方體狀的初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12顆粒，其中Zr、Sc和Hf的元素分布均勻。后續直接時效熱處理促進了大量納米/亞微米尺寸棒狀Al6Mn沉淀物和少量球形Al3(Sc,Zr,Hf)納米顆粒的析出。Zr/Sc/Hf改性的Al-Mn-Mg合金表現出中等的加工硬化能力以及強度和韌性的良好匹配。相關工作以“Development of a high strength Zr/Sc/Hf-modified Al-Mn-Mg alloy using Laser Powder Bed Fusion: design of a heterogeneous microstructure incorporating synergistic multiple strengthening mechanisms”為題在增材制造領域頂刊Additive Manufacturing上發表。論文第一作者為西北工業大學李秋歌副研究員，西北工業大學林鑫教授和比利時魯汶大學李桂川博士為共同通訊作者，西北工業大學為第一通訊單位。
圖1 (a) Al3(Sc,Zr,Hf) (c) Al6Mn和(e) Al12Mg17的HAADF-STEM圖像, (b) (a)中選定區域的HRTEM圖像和插入圖像顯示Al3(Sc,Zr,Hf)相的FFT模式, (d) Al6Mn和(f) Al12Mg17對應的FFT譜圖,(e)中插入的圖像為放大的Al12Mg17的原子排列根據圖1中的HRTEM圖像測量它們的晶格平面距離，確定Al3(Sc,Zr,Hf)和α-Al相的晶格參數分別為0.4044±0.009和0.4037±0.006 nm，具有低至0.2%的晶格錯配度。析出相與基體極小的晶格失配導致與α-Al基體具有良好的共格性，保證了極佳的析出強化和有效抵抗奧斯特瓦爾德熟化效果。在晶粒內部和晶界處存在富Mn相顆粒，由HAADF-STEM圖像和相應的FFT譜圖確定，這些富Mn相是初生Al6Mn相。Mg在晶界和胞界也表現出輕微的偏析傾向，可以觀察到少量Al12Mg17相。圖2 Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在325℃時效10h后的顯微組織和XRD譜圖時效過程中沒有發生明顯的晶粒長大且時效后大量棒狀析出相均勻分散在合金中，是亞微米級的Al6Mn析出相。還觀察到少量球形的Al3(Sc,Zr,Hf)-L12納米沉淀物，這些納米沉淀物的數量密度較低，粒徑較小(2.9±1.2 nm)，Zr, Sc和Hf沒有明顯的偏析，可能與合金中Sc含量較低(0.19 wt%)以及Zr和Hf在鋁合金中的緩慢擴散有關。Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的沉積態試樣屈服強度為438±3 MPa，抗拉強度為504±2 MPa，斷后伸長率為10.9±1.4%。在325℃直接時效熱處理10h后，合金的屈服強度提高到了487±2 MPa, 抗拉強度提高到了542±3 MPa，斷后伸長率略有降低，為7.4±0.7%。此外，真應力-應變曲線表明，該合金在沉積態和熱處理條件下均表現出中等的加工硬化能力，為93~113 MPa。該合金的綜合力學性能優于大多數L-PBF加工的Al-Si(Mg)合金、2xxx、7xxx及Al-Mg-Sc-Zr系列鋁合金和一些鍛造2024鋁合金，并可與高強度鍛造7075鋁合金相媲美。圖3(a) Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在沉積態和熱處理態的工程拉伸應力-應變曲線和(b)真拉伸應力-應變曲線, (c)與2024,7075鍛造鋁合金和L-PBF制備的2xxx, 7xxx系列合金、Al-Si (Mg)和Al-Mg-Zr-Sc合金的拉伸性能比較在Al-Mn-Mg合金中引入過渡元素Zr、Sc和Hf的原因之一是引入雙態微觀組織。由于L-PBF過程中復雜的激光-物質相互作用和熱傳遞，單個熔池在溫度梯度、固/液界面的凝固速率和最終冷卻速率方面存在差異。對L-PBF過程的多物理場有限元模擬表明，在熔池邊界處，凝固速率和冷卻速率較低，并且朝著熔池中心不斷增加。這導致在熔池邊界優先形成初生Al3(Sc,Zr,Hf)相，從而導致明顯的雙態微觀組織，在熔池中心形成柱狀晶粒，在熔池邊界形成等軸晶粒。圖4(a)和(b)顯示了實驗觀察到的微結構的形成, (c)計算競爭的初生Al3(Sc，Zr，Hf)-L12和α-Al相的形核時間, 兩條冷卻曲線代表熔池中心(MPC)和熔池邊界(MPB), (d)當存在初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12相形成時顯示等軸晶粒的MPB和當Zr, Sc和Hf被限制在α-Al中時柱狀晶粒的MPC之間的兩個不同區域材料優異的力學性能歸因于多種強化機制，包括晶界強化、固溶強化、沉淀強化、位錯強化等。然而，由于溶質原子的位錯釘扎和細晶粒結構中缺乏可動位錯，一些高強鋁合金的加工硬化能力非常有限。加工硬化與位錯的積累和變形材料中位錯密度的增加有關。非均勻微觀組織可以通過產生額外的幾何必要位錯來產生前所未有的加工硬化能力。由于熔池中凝固參數的局部變化，L-PBF提供有利條件來形成局部獨特的異質微觀組織。本研究工作開發的該種新型鋁合金，既具有良好的L-PBF加工性能，又不存在凝固裂紋或明顯的氣孔，同時兼具高強度和延展性以及中等的加工硬化能力。所提出的合金設計策略可以為工程應用高強度鋁合金的開發提供指導。
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