金属增材制造(亦称3D打印)技术作为一种先进的成形手段,为高性能复杂结构铝合金零部件的设计与制造提供了新的机遇。目前,大多数铝合金的金属增材制造局限于近共晶的铝硅系铸造铝合金(如AlSi10Mg),虽然这些成分容易加工,但难以满足更高要求。而具有最佳性能的沉淀硬化铝合金(如2xxx或7xxx系列)由于凝固温度区间大,在打印过程的极端凝固条件下极易发生热裂现象,从而难以实现成形。受传统孕育处理启发,通过引入与铝基体晶格匹配的异质形核颗粒,和/或含有高生长限制因子(即高Q值)的有效溶质,可以实现晶粒细化,消除裂纹与力学性能的提升。但是目前以此思想开发的铝合金在强度和延展性之间难以实现令人满意的平衡,这对打印铝合金的更广泛的商业部署与工业应用带来了挑战。
针对这一问题,香港城市大学吕坚院士,北京科技大学毛新平院士联合了南方科技大学朱强教授,昆士兰大学张明星教授,宝航新材料公司等团队,在增材制造高性能铝合金领域取得新进展,提出了一种通过激光粉末床熔融(L-PBF)增材制造技术制备具有超细异质结构与纳米尺度面缺陷(如层错,孪晶界,9R相)强化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料。该合金热处理后的屈服强度达到迄今为止几乎所有L-PBF生产的铝合金中最高水平(~656 MPa),并同时具有可观的延伸率(~7.2%)。相关成果Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects以封面论文的形式发表在顶尖期刊Materials Today (IF: 21.1)上。
研究团队发现由于Mg元素在具有低密度,在铝中固溶度高且能有效地调节铝的层错能等因素,因此以典型的高Mg含量的5083铝合金(Al-Mg-Mn系)为基础合金以期引入纳米尺度的面缺陷。通过“边边匹配”模型晶体学计算(如图1所示),团队发现与Al基体晶体学匹配最好且热力学稳定(不会发生同素异构体相变)的是Al-Sc包晶反应生成的L12型Al3Sc相,其能有效地促进晶粒细化。此外,为防止原位生成的Al3Sc在热处理过程中粗化,还选择了在铝中热扩散速率较慢且与铝能生成良好匹配Al3Zr相的Zr元素,最终粉末的成分为Al-4.71Mg-0.85Mn-1.28Sc-0.56Zr。通过前期的参数优化,最终能打印出无裂纹且致密度高达99.99%的铝合金试样,如图2所示。
图1 合金设计策略:基于边边匹配模型的晶体学与铝合金凝固路径计算
图2 铝合金粉末与打印试样缺陷表征,表明通过参数优化能实现无裂纹且高密度的打印
进一步实验结果表明,打印态铝合金展示出三模态晶粒分布的分层异质结构:超细等轴晶,细等轴晶与细小柱状晶,这主要是由于Al3(Sc,Zr)颗粒的不均匀析出造成,如图3所示。进一步的微观组织表征还发现了纳米尺度的面缺陷,包括高密度的层错,孪晶界与9R相(通常认为是非共格孪晶界的扩展造成的),如图4所示。为进一步增幅沉淀强化效果,采用直接时效热处理(300摄氏度下4小时)促进大量纳米强化相的析出(图5)。同时,打印态组织中的纳米级面缺陷和三模态晶粒异质结构在热处理后也得以保留,如图6所示,这成就了超高强度与优异塑性的结合。拉伸结果表明(图7-9),不同热处理状态下的铝合金均展示出优异的力学性能。打印态的合金展示出优异的力学性能:屈服强度~461 MPa,延伸率~21%。热处理态合金~656MPa的屈服强度超过了之前报道的几乎所有增材制造高强铝合金与锻造铝合金。
图3 打印态铝合金中具有三模态晶粒分布的分级异质结构:超细等轴晶,细小等轴晶与细小柱状晶。
图4 打印态铝合金中的纳米级面缺陷的表征与晶内元素分布分析
图5 热处理后合金中三模态晶粒分布得以保留且出现更多纳米析出相
图6 热处理态后合金纳米尺度的面缺陷均得以保留
图7 铝合金在热处理前后均显示出非常优异的拉伸性能
图8 铝合金在热处理前后的真应力应变曲线与加工硬化率
图9 不同打印方向的铝合金在热处理前后状态下拉伸断口均显示出细小韧窝
该研究团队还发现,不同状态下的铝合金拉伸断裂后面缺陷均得以保留,如图10所示。为进一步了解该铝合金的强化机制,以热处理后的铝合金为例进行了理论计算,结果表面热处理铝合金的高屈服强度主要强化机制是晶界(细晶)强化(约140-160MPa)、固溶强化(约57MPa)、沉淀(析出)强化(约342MPa)和纳米级平面缺陷强化(约37-57MPa),这既说明了纳米级的析出沉淀相在强化中的主导作用,也表明了在目前块状铝合金中引入纳米级平面缺陷以实现强化是可行的。因此,通过协调简单的成分优化(如增加Mg含量)或热处理策略以实现可调的平面缺陷或/和纳米沉淀物(例如密度和尺寸),预计可能实现更高的强度。
图10 不同状态下的铝合金拉伸断裂后面缺陷均得以保留
该研究工作发为用于先进结构应用的高性能铝合金部件提供了新的范式,有利于轻量化设计和减少碳足迹。据了解,该团队还准备进一步优化合金成分,以实现3D打印块状铝合金更高力学性能的突破。
香港城市大学-南方科技大学联合培养博士生李干为论文第一作者,宝航新材料赵春禄为论文共同第一作者,通讯作者为香港城市大学吕坚院士,南方科技大学朱强教授,昆士兰大学张明星教授与北京科技大学黄禹赫博士,论文合作者还包括北京科技大学毛新平院士,昆士兰大学谭启玚博士,香港城市大学栾军华博士,李莹博士,张磊博士,陈绪梁博士,郭川博士与周琳博士生,西安交通大学刘思达教授,南方科技大学黎兴刚教授,逯文君副教授,候军华博士生,贺喜硕士生以及江西宝航新材料李振民总经理。该研究获得国家自然科学基金,广东省自然科学基金等项目的资助。
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006
审核:力学家
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