南科大团队在3D打印高强高韧铝合金方面取得突破

       近日，南方科技大学朱强教授团队与香港城市大学吕坚院士团队、北京科技大学毛新平院士团队、澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队合作，在增材制造铝合金领域取得新进展。在《Materials Today》发表了题为“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects" 最新研究。

       该文章介绍了一种在激光粉末床融合（L-PBF）技术下增材制造高性能铝合金中引入纳米级平面缺陷的研究，这些缺陷在铝合金中很少被观察到。将堆垛层错（SFs）、纳米孪晶、9R相以及超细晶粒（UFG）整合到构建的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，实现了在打印态和热处理态下显著的机械强度与延展性的结合。通过精心调整Mg含量，成功降低了在L-PBF铝合金中引入平面强化缺陷的能量壁垒，从而贡献于优异的机械性能。

       在开发高性能合金方面的突破揭示了引入纳米尺度的强化平面缺陷（如孪晶界和堆垛层错）以增强机械性能的变革性潜力。这种增强对于实现显著的延展性至关重要，因为它有助于分散应变的流动。纳米尺度的平面晶体缺陷作为晶体塑性的辅助通道，通过减少移动位错的平均自由程和提供位错相互作用和存储位点来鼓励位错累积，从而有效增加了位错的存储能力，最终实现了高强度和延展性之间的和谐平衡。这一现象在低堆垛层错能的先进合金系统中得到了成功应用，其中锰钢和从高到中等熵或多主元合金系统作为典型示例。然而，由于铝的SFE值约为166mJ/m²，将高密度SFs和纳米孪晶作为铝合金微观结构设计策略的一部分存在挑战。理论上，铝的SFE只能通过合金化特定的溶质元素进行微调。不幸的是，除了Mg、Ag和Zn之外，这些元素在铝中的溶解度非常有限，这限制了铝中SFE的可调性。

       细晶粒、无裂纹 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金 L-PBF 的理论计算

       一般而言，铝合金中的堆垛层错（SFs）或纳米孪晶仅在经历了极端凝固或变形条件的特定微观结构中才能被检测到，例如通过磁控溅射在极快冷却过程中制备的薄膜Al-Fe过饱和固溶体。对于块状铝合金，这些平面缺陷通常是在经过严重的塑性变形后获得的，以实现优异的机械性能。因此，通过结合堆垛层错和纳米孪晶，以及多种强化机制（如晶界强化、析出强化），并结合L-PBF（激光粉末床融合）特有的加工路线，可能为增材制造的铝合金实现理想的拉伸延展性与超高强度之间的统一提供一条有前景的途径。

       打印态 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金的层次化非均匀微观结构

       在打印后的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，存在着大小约为200纳米的超细晶粒，而Al3(Sc, Zr)颗粒则作为晶粒内的异质形核位点。这些特征共同影响着合金的性能

       新研发的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金经过多种强化机制的作用，展现出了优异的机械性能。这种合金在打印和热处理后的机械性能数据显示，无论是在哪个方向上，样品的拉伸强度和延展性均表现出各向同性的特性，这意味着该合金在不同方向上具有相似的机械行为。特别地，打印出的样品拥有高达∼461MPa的屈服强度(YS)，同时在两个方向上均保持了约21%的伸长率。值得注意的是，这些打印样品的拉伸应力-应变曲线出现了锯齿状，这是Portevin-Le Chatelier (PLC)效应的体现，通常与合金基体中溶质原子（如Mg和Mn）与运动位错之间的相互作用紧密相关。

       经过热处理后的样品，其屈服强度(YS)显著提升至∼656 MPa，尽管伸长率(EL)降低至∼7.2%，但仍在可接受的范围内。同时，PLC效应在热处理后的样品中消失，这可以归因于时效处理过程中溶质原子被消耗以形成纳米沉淀物。无论是打印后还是热处理后的L-PBFed样品，其断口均呈现出高度密集的亚微米等轴韧窝，这进一步证明了该合金具有良好的延性断裂行为。

       L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金的力学性能

       这项工作不仅为高性能铝合金部件的快速原型制作奠定了坚实基础，而且还揭示了将类似策略应用于其他合金的新机遇。这种新型合金不仅为高性能铝合金部件的快速原型制作提供了坚实基础，还为将类似策略应用于其他合金开辟了新机遇。总之，通过多种强化机制的共同作用，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金展现出了有前景的机械性能。

来自：AM-Insights 增材制造技术前沿