3D打印技術(shù)參考于近日注意到，香港城市大學(xué)呂堅院士團隊聯(lián)合北京科技大學(xué)毛新平院士團隊、南方科技大學(xué)朱強講席教授團隊、昆士蘭大學(xué)張明星教授團隊以及西安交通大學(xué)、寶航新材料等，在《Materials Today》發(fā)表了題為“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects"最新研究。
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006
該介紹了一種通過激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)制造的創(chuàng)新性超細晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，該合金通過納米結(jié)構(gòu)平面缺陷進行強化，特別適用于要求高強度和優(yōu)異延展性的復(fù)雜形狀部件。由于L12有序Al3(Sc, Zr)納米顆粒的不均勻分布，該合金呈現(xiàn)出具有三重模態(tài)晶粒分布的層次化異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。在打印后的合金中，研究人員策略性地引入了包含堆垛層錯、9R相和納米孿晶的定制平面缺陷。除了納米尺度的平面缺陷和三重模態(tài)晶粒分布外，進一步的直接時效處理增加了納米析出物的數(shù)量，從而共同將屈服強度提升至656MPa，這一數(shù)值高于迄今為止報道的幾乎所有L-PBF制造的Al合金，同時還保持了7.2%的良好延展性。這項工作為高性能鋁合金部件的近凈成形制造開辟了新途徑，以滿足先進結(jié)構(gòu)應(yīng)用的需求。
L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金的力學(xué)性能
目前的高強度鍛造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其對熱裂紋的高敏感性，在增材制造過程中表現(xiàn)出較差的可打印性。這種脆弱性歸因于它們廣泛的凝固溫度范圍和由L-PBF過程中復(fù)雜的熱歷史引起的高水平殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致機械性能較差。減輕上述缺點的最有效策略是開發(fā)細晶粒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)提供了大量的晶界（GBs）來破壞凝固過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高對熱撕裂的抵抗力，并有效抑制裂紋。大量晶界的存在還阻礙了位錯遷移并增強了機械強度。從傳統(tǒng)鑄造工藝中獲得靈感，可以通過接種處理來觸發(fā)顯著的晶粒細化，這包括引入晶格匹配的晶核粒子（無論是原位形成還是外部添加），或者加入具有高生長限制因子（即高Q值）的有效溶質(zhì)。這種處理通常會在L-PBF過程中抑制裂紋并細化晶粒，從而產(chǎn)生具有理想機械響應(yīng)的致密材料。近年來，通過添加合金元素（如Ti、Zr、Sc、Nb和Ta）或/和陶瓷顆粒（如TiC、TiN和TiB2）來開發(fā)用于L-PBF的高強度鋁合金種類繁多。另外，最近的研究表明，將商用Ti-6Al-4V和Ti-22Al-25Nb合金粉末添加到難以焊接的7075 Al合金的L-PBF中，可以制得無裂紋且?guī)缀跬耆旅艿牟考?，并具有細化的晶粒。近年來，人們對含有Sc/Zr的L-PBF Al合金也給予了廣泛關(guān)注，并在商業(yè)上取得了一些成功，這些合金以Al-Mg-Sc-Zr和Al-Mg-Mn-Sc-Zr為代表，具有顯著細化的微觀結(jié)構(gòu)和增強的機械性能。盡管晶粒細化在這些合金中有效提高了強度，但在新開發(fā)的鋁合金中實現(xiàn)強度和延展性之間的平衡仍然是一個重大挑戰(zhàn)，這一挑戰(zhàn)阻礙了L-PBF鋁合金的更廣泛商業(yè)應(yīng)用。
L-PBF技術(shù)用于制造接近全致密的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金
在開發(fā)高性能合金方面的突破揭示了引入納米尺度的強化平面缺陷（如孿晶界和堆垛層錯）以增強機械性能的變革性潛力。這種增強對于實現(xiàn)顯著的延展性至關(guān)重要，因為它有助于分散應(yīng)變的流動。納米尺度的平面晶體缺陷作為晶體塑性的輔助通道，通過減少移動位錯的平均自由程和提供位錯相互作用和存儲位點來鼓勵位錯累積，從而有效增加了位錯的存儲能力，最終實現(xiàn)了高強度和延展性之間的和諧平衡。這一現(xiàn)象在低堆垛層錯能的先進合金系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，其中錳鋼和從高到中等熵或多主元合金系統(tǒng)作為典型示例。然而，由于鋁的SFE值約為166mJ/m2，將高密度SFs和納米孿晶作為鋁合金微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計策略的一部分存在挑戰(zhàn)。理論上，鋁的SFE只能通過合金化特定的溶質(zhì)元素進行微調(diào)。不幸的是，除了Mg、Ag和Zn之外，這些元素在鋁中的溶解度非常有限，這限制了鋁中SFE的可調(diào)性。
一般而言，鋁合金中的堆垛層錯（SFs）或納米孿晶僅在經(jīng)歷了極端凝固或變形條件的特定微觀結(jié)構(gòu)中才能被檢測到，例如通過磁控濺射在極快冷卻過程中制備的薄膜Al-Fe過飽和固溶體。對于塊狀鋁合金，這些平面缺陷通常是在經(jīng)過嚴重的塑性變形后獲得的，以實現(xiàn)優(yōu)異的機械性能。因此，通過結(jié)合堆垛層錯和納米孿晶，以及多種強化機制（如晶界強化、析出強化），并結(jié)合L-PBF（激光粉末床融合）特有的加工路線，可能為增材制造的鋁合金實現(xiàn)理想的拉伸延展性與超高強度之間的統(tǒng)一提供一條有前景的途徑。
在本次研究中，介紹了一種有效的方法，通過在激光粉末床融合（L-PBF）技術(shù)下增材制造高性能鋁合金中引入納米級平面缺陷，這些缺陷在鋁合金中很少被觀察到。我們將堆垛層錯（SFs）、納米孿晶、9R相以及超細晶粒（UFG）整合到構(gòu)建的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，實現(xiàn)了在打印態(tài)和熱處理態(tài)下顯著的機械強度與延展性的結(jié)合。通過精心調(diào)整Mg含量，成功降低了在L-PBF鋁合金中引入平面強化缺陷的能量壁壘，從而貢獻于優(yōu)異的機械性能。
細晶粒、無裂紋 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金 L-PBF 的理論計算
基于邊到邊模型（E2EM），定量計算了晶體學(xué)匹配度，以指導(dǎo)超細晶粒微觀結(jié)構(gòu)的形成。經(jīng)過廣泛納米析出處理的熱處理合金，具有高達656MPa的出色屈服強度，這超過了之前報道的通過L-PBF技術(shù)生產(chǎn)的任何鋁合金的值，同時仍保持了7.2%的適中延展性。
在打印后的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，存在著大小約為200納米的超細晶粒，而Al3(Sc, Zr)顆粒則作為晶粒內(nèi)的異質(zhì)形核位點。這些特征共同影響著合金的性能
這項工作不僅為高性能鋁合金部件的快速原型制作奠定了堅實基礎(chǔ)，而且還揭示了將類似策略應(yīng)用于其他合金的新機遇。這種新型合金不僅為高性能鋁合金部件的快速原型制作提供了堅實基礎(chǔ)，還為將類似策略應(yīng)用于其他合金開辟了新機遇?？傊ㄟ^多種強化機制的共同作用，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金展現(xiàn)出了有前景的機械性能。
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