導讀

金屬增材制造（亦稱3D打印）技術作為一種先進的材料成形工藝，為復雜結構零部件設計與成型及高性能合金的設計與開發提供了新的機遇。在雙碳約束與加快發展新質生產力戰略的背景下，市場對產品輕質高強化的需求與標準不斷提高，因此具有優異力學性能的輕質鋁合金復雜結構零部件受到航空航天、汽車工業和國防工業等領域的廣泛關注。立足于此，本文研究了通過引入納米尺度的面缺陷（如層錯，孿晶界，9R相）和細化的多模態晶粒異質結構實現激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金優異力學性能的可能性。研究結果顯示，打印態和熱處理態鋁合金均展示出卓越的力學性能且無明顯各向異性。其中，熱處理態試樣的屈服強度達到了迄今為止幾乎所有L-PBF生產的鋁合金中最高水平（~656 MPa），同時具有可觀的延伸率（~7.2%）。這項工作為用于先進結構應用的高性能鋁合金部件的近凈成形鋪平了道路，有利于輕量化設計和減少碳足跡。

圖文簡介

高比強度、優異的耐腐蝕性和豐富的地殼資源等特性使高強鋁合金成為航空航天、交通和軍工等領域的主要結構材料。金屬增材制造作為一種靈活高效的制造方式為高性能鋁合金的開發和應用提供了新機遇。然而，盡管高強鋁合金在先進工程應用領域廣泛應用，但在金屬增材制造中尚未廣泛應用于復雜零部件。目前，大多數鋁合金的金屬增材制造局限于近共晶的鋁硅成分（如AlSi10Mg），雖然這些成分容易加工，但力學性能較差，難以滿足市場需求。而具有最佳性能的沉淀硬化鋁合金（如2xxx或7xxx系列）由于凝固溫度區間大，在打印過程的極端凝固條件下極易發生熱裂現象，從而難以制備。

受傳統鑄造過程中的孕育處理啟發，通過原位形成或外部引入與鋁基體晶格匹配的異質形核顆粒，和/或含有高生長限制因子（即高Q值）的有效溶質，可以在打印過程中引發顯著的晶粒細化。這種處理通常會導致L-PBF過程中的裂紋抑制和晶粒細化，從而產生具有優異力學性能的材料。近年來，通過摻入合金元素（如Ti、Zr、Sc、Nb、Ta）或/和陶瓷顆粒（如TiC、TiN、TiB₂），已經開發出用于L-PBF的各種高強鋁合金。例如，我們最近的研究表明將商用Ti-6Al-4V（TC4）和Ti-22Al-25Nb（Ti2AlNb）合金粉末添加到難焊接的7075鋁合金中可以打印出具有無裂紋，晶粒細化且拉伸性能良好的試樣。此外，近年來以此思想開發的商用鋁合金（如空客Scalmalloy合金）也受到了廣泛關注，并取得了工業應用。然而，這些合金在強度和延展性之間難以實現令人滿意的平衡，對打印鋁合金的更廣泛的商業部署與工業應用帶來了挑戰。

最近在開發高性能金屬材料取得的突破揭示了引入納米級強化面缺陷（如孿晶邊界，層錯，9R相）以提高力學性能的變革潛力。以納米孿晶為例，其作為一種特殊的微觀組織可為金屬材料帶來諸如高強度、高穩定性等優異的性能，一直是行業內的研究熱點。但迄今為止，相關研究大多局限于具有中、低層錯能的金屬材料(如銅和銀等)，在具有高層錯能的金屬(如鋁)中則很難形成納米孿晶組織。對于工業上廣泛使用的鋁及鋁合金而言，如果能形成這些納米級的面缺陷進行強化，則有望大幅度提高其強度，從而擴寬其應用范圍。通常而言，將鋁與低層錯能金屬（如鐵，銀，鎂等）復合，可以在超快速凝固條件下（如物理氣相沉積）形成具有納米孿晶的鋁基薄膜。這種制備方法工藝復雜、條件嚴苛，同時需要利用低層錯能金屬作為孿晶源以誘發孿晶生長且僅能制備薄膜材料。對于塊狀材料而言，目前主要是通過嚴重塑性變形(SPD)來引入這些納米尺度的面缺陷進行強化，其實際應用受到限制。因此，如何能在更加簡單的條件下直接制備出納米面缺陷強化的塊狀鋁材料目前仍是國際性難題，相關研究具有重要的理論意義與實用價值。

針對上述問題，香港城市大學呂堅院士團隊、北京科技大學毛新平院士團隊聯合南方科技大學朱強教授團隊與澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊提出了一種通過激光粉末床熔融增材制造技術制備具有超細異質結構與納米尺度面缺陷強化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料，其兼具超高強度與高塑性。在合金設計過程中，由于Mg元素在具有低密度，在鋁中固溶度高且能有效地調節鋁的層錯能等因素，因此研究團隊以典型的高Mg含量的5083鋁合金（Al-Mg-Mn系）為基礎合金以期引入納米尺度的面缺陷。通過邊邊匹配模型（E2EM）的晶體學計算，團隊發現與Al基體晶體學匹配最好且熱力學穩定（不會發生同素異構體相變）的是Al-Sc包晶反應生成的L1₂型Al₃Sc相，其能有效地促進晶粒細化。為防止原位生成的Al₃Sc在熱處理過程中粗化，還選擇了鋁中熱擴散速率較慢且與鋁能生成良好匹配Al₃Zr相的Zr元素。

實驗結果表明，打印態鋁合金展示出三模態晶粒分布的分層異質結構：超細等軸晶，細等軸晶與細小柱狀晶，這主要是由于Al₃(Sc,Zr)顆粒的不均勻析出造成。進一步的微觀組織表征還發現了納米尺度的面缺陷，包括高密度的層錯，孿晶界與9R相（通常認為是非共格孿晶界的擴展造成的）。打印態的合金展示出優異的力學性能：屈服強度~461 MPa，延伸率~21％。為進一步增幅沉淀強化效果，采用直接時效熱處理（300攝氏度下4小時）促進大量納米強化相的析出。同時，打印態組織中的納米級面缺陷和三模態晶粒異質結構在熱處理后也得以保留，這成就了超高強度與優異塑性的結合。熱處理態合金~656MPa的屈服強度超過了之前報道的幾乎所有增材制造高強鋁合金與鍛造鋁合金。

相關成果以題為“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects"發表在頂尖期刊《Materials Today》上，通訊作者為香港城市大學工學院院長呂堅院士，南方科技大學機械與能源工程系朱強講席教授，昆士蘭大學機械及采礦工程學院張明星教授和北京科技大學碳中和研究院黃禹赫博士。香港城市大學博士生李干和江西寶航新材料技術總監趙春祿為論文共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124000877

圖1 基于邊-邊匹配模型的晶體學計算與鋁合金凝固路徑（正文圖1）

圖2 鋁合金粉末與打印試樣缺陷表征（附件圖2）

圖3 打印態鋁合金中具有三模態晶粒分布的分級異質結構（正文圖2）

圖4 打印態鋁合金中的納米級面缺陷（正文圖3）

圖5 熱處理態合金的微觀組織表征（正文圖4）

圖6 鋁合金的拉伸性能（正文圖5）

圖7 拉伸斷裂后鋁合金中的面缺陷（附件圖12）