吕坚院士、毛新平院士等团队3D打印迄今最强铝合金！屈服强度达656MPa！

3D打印技术参考于近日注意到，香港城市大学吕坚院士团队联合北京科技大学毛新平院士团队、南方科技大学朱强讲席教授团队、昆士兰大学张明星教授团队以及西安交通大学、宝航新材料等，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。

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006

该研究介绍了一种通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造的创新性超细晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，该合金通过纳米结构平面缺陷进行强化，特别适用于要求高强度和优异延展性的复杂形状部件。由于L12有序Al3(Sc, Zr)纳米颗粒的不均匀分布，该合金呈现出具有三重模态晶粒分布的层次化异质微观结构。在打印后的合金中，研究人员策略性地引入了包含堆垛层错、9R相和纳米孪晶的定制平面缺陷。除了纳米尺度的平面缺陷和三重模态晶粒分布外，进一步的直接时效处理增加了纳米析出物的数量，从而共同将屈服强度提升至656MPa，这一数值高于迄今为止报道的几乎所有L-PBF制造的Al合金，同时还保持了7.2%的良好延展性。这项工作为高性能铝合金部件的近净成形制造开辟了新途径，以满足先进结构应用的需求。

L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金的力学性能

目前的高强度锻造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其对热裂纹的高敏感性，在增材制造过程中表现出较差的可打印性。这种脆弱性归因于它们广泛的凝固温度范围和由L-PBF过程中复杂的热历史引起的高水平残余应力，从而导致机械性能较差。减轻上述缺点的最有效策略是开发细晶粒结构，这种结构提供了大量的晶界（GBs）来破坏凝固过程中产生的应力，从而提高对热撕裂的抵抗力，并有效抑制裂纹。大量晶界的存在还阻碍了位错迁移并增强了机械强度。从传统铸造工艺中获得灵感，可以通过接种处理来触发显著的晶粒细化，这包括引入晶格匹配的晶核粒子（无论是原位形成还是外部添加），或者加入具有高生长限制因子（即高Q值）的有效溶质。这种处理通常会在L-PBF过程中抑制裂纹并细化晶粒，从而产生具有理想机械响应的致密材料。

近年来，通过添加合金元素（如Ti、Zr、Sc、Nb和Ta）或/和陶瓷颗粒（如TiC、TiN和TiB2）来开发用于L-PBF的高强度铝合金种类繁多。另外，最近的研究表明，将商用Ti-6Al-4V和Ti-22Al-25Nb合金粉末添加到难以焊接的7075 Al合金的L-PBF中，可以制得无裂纹且几乎完全致密的部件，并具有细化的晶粒。近年来，人们对含有Sc/Zr的L-PBF Al合金也给予了广泛关注，并在商业上取得了一些成功，这些合金以Al-Mg-Sc-Zr和Al-Mg-Mn-Sc-Zr为代表，具有显著细化的微观结构和增强的机械性能。尽管晶粒细化在这些合金中有效提高了强度，但在新开发的铝合金中实现强度和延展性之间的平衡仍然是一个重大挑战，这一挑战阻碍了L-PBF铝合金的更广泛商业应用。

L-PBF技术用于制造接近全致密的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金

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。

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。

在本次研究中，介绍了一种有效的方法，通过在激光粉末床融合（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，这些缺陷在铝合金中很少被观察到。我们将堆垛层错（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。

细晶粒、无裂纹 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金 L-PBF 的理论计算

基于边到边模型（E2EM），定量计算了晶体学匹配度，以指导超细晶粒微观结构的形成。经过广泛纳米析出处理的热处理合金，具有高达656MPa的出色屈服强度，这超过了之前报道的通过L-PBF技术生产的任何铝合金的值，同时仍保持了7.2%的适中延展性。

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

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。

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