3D打印技術(shù)參考于近日注意到，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)毛新平院士團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授團(tuán)隊(duì)、昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊(duì)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(guò)激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)制造的創(chuàng)新性超細(xì)晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，該合金通過(guò)納米結(jié)構(gòu)平面缺陷進(jìn)行強(qiáng)化，特別適用于要求高強(qiáng)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(cuò)、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(jìn)一步的直接時(shí)效處理增加了納米析出物的數(shù)量，從而共同將屈服強(qiáng)度提升至656MPa，這一數(shù)值高于迄今為止報(bào)道的幾乎所有L-PBF制造的Al合金，同時(shí)還保持了7.2%的良好延展性。這項(xiàng)工作為高性能鋁合金部件的近凈成形制造開(kāi)辟了新途徑，以滿足先進(jìn)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(qiáng)度鍛造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其對(duì)熱裂紋的高敏感性，在增材制造過(guò)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(guò)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(jī)械性能較差。減輕上述缺點(diǎn)的最有效策略是開(kāi)發(fā)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)提供了大量的晶界（GBs）來(lái)破壞凝固過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高對(duì)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(cuò)遷移并增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度。從傳統(tǒng)鑄造工藝中獲得靈感，可以通過(guò)接種處理來(lái)觸發(fā)顯著的晶粒細(xì)化，這包括引入晶格匹配的晶核粒子（無(wú)論是原位形成還是外部添加），或者加入具有高生長(zhǎng)限制因子（即高Q值）的有效溶質(zhì)。這種處理通常會(huì)在L-PBF過(guò)程中抑制裂紋并細(xì)化晶粒，從而產(chǎn)生具有理想機(jī)械響應(yīng)的致密材料。近年來(lái)，通過(guò)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(lái)開(kāi)發(fā)用于L-PBF的高強(qiáng)度鋁合金種類(lèi)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(wú)裂紋且?guī)缀跬耆旅艿牟考?，并具有?xì)化的晶粒。近年來(lái)，人們對(duì)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(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的機(jī)械性能。盡管晶粒細(xì)化在這些合金中有效提高了強(qiáng)度，但在新開(kāi)發(fā)的鋁合金中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性之間的平衡仍然是一個(gè)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(kāi)發(fā)高性能合金方面的突破揭示了引入納米尺度的強(qiáng)化平面缺陷（如孿晶界和堆垛層錯(cuò)）以增強(qiáng)機(jī)械性能的變革性潛力。這種增強(qiáng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)顯著的延展性至關(guān)重要，因?yàn)樗兄诜稚?yīng)變的流動(dòng)。納米尺度的平面晶體缺陷作為晶體塑性的輔助通道，通過(guò)減少移動(dòng)位錯(cuò)的平均自由程和提供位錯(cuò)相互作用和存儲(chǔ)位點(diǎn)來(lái)鼓勵(lì)位錯(cuò)累積，從而有效增加了位錯(cuò)的存儲(chǔ)能力，最終實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和延展性之間的和諧平衡。這一現(xiàn)象在低堆垛層錯(cuò)能的先進(jìn)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(jì)策略的一部分存在挑戰(zhàn)。理論上，鋁的SFE只能通過(guò)合金化特定的溶質(zhì)元素進(jìn)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(cuò)（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(cè)到，例如通過(guò)磁控濺射在極快冷卻過(guò)程中制備的薄膜Al-Fe過(guò)飽和固溶體。對(duì)于塊狀鋁合金，這些平面缺陷通常是在經(jīng)過(guò)嚴(yán)重的塑性變形后獲得的，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能。因此，通過(guò)結(jié)合堆垛層錯(cuò)和納米孿晶，以及多種強(qiáng)化機(jī)制（如晶界強(qiáng)化、析出強(qiáng)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(shí)現(xiàn)理想的拉伸延展性與超高強(qiáng)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(guò)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(jí)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(cuò)（SFs）、納米孿晶、9R相以及超細(xì)晶粒（UFG）整合到構(gòu)建的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，實(shí)現(xiàn)了在打印態(tài)和熱處理態(tài)下顯著的機(jī)械強(qiáng)度與延展性的結(jié)合。通過(guò)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(qiáng)化缺陷的能量壁壘，從而貢獻(xiàn)于優(yōu)異的機(jī)械性能。
細(xì)晶粒、無(wú)裂紋 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金 L-PBF 的理論計(jì)算
基于邊到邊模型（E2EM），定量計(jì)算了晶體學(xué)匹配度，以指導(dǎo)超細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的形成。經(jīng)過(guò)廣泛納米析出處理的熱處理合金，具有高達(dá)656MPa的出色屈服強(qiáng)度，這超過(guò)了之前報(bào)道的通過(guò)L-PBF技術(shù)生產(chǎn)的任何鋁合金的值，同時(shí)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(xì)晶粒，而Al3(Sc, Zr)顆粒則作為晶粒內(nèi)的異質(zhì)形核位點(diǎn)。這些特征共同影響著合金的性能
這項(xiàng)工作不僅為高性能鋁合金部件的快速原型制作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而且還揭示了將類(lèi)似策略應(yīng)用于其他合金的新機(jī)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，還為將類(lèi)似策略應(yīng)用于其他合金開(kāi)辟了新機(jī)遇?？傊ㄟ^(guò)多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金展現(xiàn)出了有前景的機(jī)械性能。
注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。
