自然通讯：全新高强高塑性3D打印铝合金

轻质、高强度铝合金在工业应用中广泛使用。然而，大多数市售的高强度Al合金，如AA 7075，由于其高度易于产生凝固裂纹，不适合增材制造。增材制造技术前沿注意到，来自普渡大学、伊利诺伊大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员于日前在nature communications杂志发表了题为“ Additive manufacturing of an ultrastrong, deformable Al alloy with nanoscale intermetallics ”的文章。

www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4

在这项工作中，研究人员通过选择性激光熔化技术制造了一种定制的铝合金——Al92Ti2Fe2Co2Ni2，合金中形成了异质纳米尺度的中熵金属间化合物层片。宏观压缩测试显示该合金兼具超过700MPa的高强度和显著的塑性变形能力。微柱压缩测试显示所有区域都存在显著的背应力，某些区域的流动应力甚至超过900MPa。变形后分析显示，除了铝基体中存在丰富的位错活动外，在单斜晶系Al9Co2型脆性金属间化合物中也形成了复杂的位错结构和堆垛层错。这项研究表明，适当引入异质微结构和纳米尺度的中熵金属间化合物为通过增材制造设计超强、可变形Al合金提供了一种替代方案。

激光打印的Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的微观结构

纳米级金属间化合物的形貌和成分

原子探针断层扫描 (APT) 分析

微柱压缩试验揭示的微尺度机械性能

铝合金在航空航天和汽车行业中被广泛用作结构材料。为了满足工业应用的复杂几何约束，选择性激光熔化（SLM）技术越来越多地被用于制造铝合金部件，提供了高度的设计灵活性。目前大多数研究主要集中在近共晶Al-Si和Al-Si-Mg合金上。这些合金具有中等强度但极好的热裂抗性，使其成为3D打印的良好候选材料。相比之下，高强度铝合金，如AA 6061和AA 7075，在增材制造过程中天生就容易发生热裂。

一种缓解高强度Al合金在增材制造过程中热裂纹问题的方法是引入细小且坚硬的颗粒。 这些颗粒可以通过外部接种（例如TiN、TiC、TiB2）或时效引入（如Al3Zr、Al3Sc、Al2Cu），它们可以通过阻碍位错运动来增强铝合金。 尽管有这些研究，但通过增材制造得到的Al合金的最高强度仍然处于300–500MPa的范围内。 通过剧烈的塑性变形（如高压扭转和累积叠轧）或冷冻研磨后粉末固结等方法在制造高强度铝合金方面取得了一些成功，但这些情况下高强度主要来源于显著的晶粒细化至纳米尺度。 然而，兼具高强度和变形性的超强3D打印铝合金尚未被发现。

过渡金属间化合物，如Al-Fe、Al-Co和Al-Ni，在增材制造铝合金中通常被避免使用，因为先前的铸造经验表明，添加过渡元素往往会形成大而脆的金属间化合物。这些金属间化合物，如Al9Co2、Al13Fe4，具有低对称性的晶体结构（单斜晶系），因此在室温下被认为是脆性材料。然而，最近的研究表明，添加少量的Fe或Ni可以提高Al合金的机械强度，但塑性变形能力和变形机制仍不清楚。

在这项工作中，选择了包括Co、Fe、Ni和Ti在内的几种过渡金属元素来生产金属间化合物增强的增材制造铝合金。通过激光粉末床融合（LPBF）技术定制了一种Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金。该合金具有纳米级金属间化合物的玫瑰花状结构，其宏观工程压缩强度超过800MPa，并且具有20%的塑性。微柱压缩测试表明，这些精细的玫瑰花状区域可以达到近1.0GPa的微观压缩强度和至少15%的塑性。

这种高强度和塑性的同时实现，源于通过异质金属间化合物纳米层状界面所容纳的大量背应力。此外，在中熵单斜晶系Al9(Fe,Co,Ni)2金属间相中也观察到了显著的塑性。这项研究表明，适当引入异质微观结构和纳米级中熵金属间化合物为通过增材制造设计超强可变形铝合金提供了替代解决方案。

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