新加坡SIMTech丨选区激光熔化制备高性能7系铝合金材料

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通过可调分级微结构和双纳米沉淀实现选区激光熔化AlZnMgCuScZr合金的优异力学性能

关键词：铝合金; 分级微观结构; 双纳米沉淀; 微观结构-力学性能关系

新加坡先进制造技术研究院(SIMTech)Sharon Mui Ling Nai团队、南方科技大学机械与能源工程系逯文君助理教授团队和德国马普钢铁所Dierk Raabe教授团队在国际高水平期刊《Materials Today》上联合发表论文“Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation“，报道了一种通过激光选区熔化（SLM）技术制备具有超高强度和韧性协同作用的无裂纹AlZnMgCuScZr合金。

Graphical abstract

论文研究表明，通过SLM技术和适当的热处理能够获得一种晶粒尺寸多峰分布的双纳米析出相结构，并表现出可调的力学行为。文中所报道的铝合金屈服强度为647 MPa，是迄今为止报道的所有SLM生产铝合金中的最高值，同时其具有可观的延展性（11.6%左右）。这种具有可调节分级微观结构的高性能7系列合金材料的成功制造，为设计和微调SLM技术生产高机械载荷下的铝合金组件铺平了道路。

a)粉末的典型形貌和粒径分布(插图)。(b) SLM处理后的X射线CT图像和(c) 3D EBSD IPF图像AlZnMgCuScZr合金。(d, e)高倍率下从顶面和侧视图观察到的EBSD IPF图像显示颗粒分布不均。(f) EBSD IPF图像显示UFGs。(g) SLM处理的AlZnMgCuScZr合金侧视图的SEM图像。(g1) - (g3)展示了CCGS，分别是MEG和UFG。EBSD:电子背散射衍射;IPF:反极图;UFG:超细晶粒;MCG:中等等轴晶粒。

SLM技术在航空航天和电动汽车生产机械零部件上具有广泛应用，目前研究较多的材料通常为可焊性较好的铁基合金、Ti6Al4V钛合金、高熵合金、718镍基合金等。然而，铝合金作为工业中非常重要的轻量化材料，由于其高反射率、铺展性差、表面易氧化等特点，导致其在SLM制备过程中面临更大的挑战。目前，适用于SLM制备的商用铝合金主要是传统的Al-Si共晶合金，其性能难以满足高强度零部件的使用需求。而可时效硬化的2系(Al–Cu)、6系(Al–Mg–Si)以及7系(Al–Zn–Mg)高强铝合金则由于铸造性能差，在SLM制备过程中容易发生开裂等问题，因此在SLM成型领域非常的受限。已有研究表明SLM过程中添加Si、Sc、Zr 、ZrH2等可以打印无裂纹的高强度铝合金材料，但其力学性能与铸造铝合金相比仍有差距。此外，对SLM打印以及后需热处理过程中微观结构的演变机制也尚不明确，限制了此类材料的应用范围。

AlZnMgCuScZr合金中析出相的形成

SLM制备的AlZnMgCuScZr合金在STA465，C/60min后析出相的演化

为此，文中提出了一种适用于SLM工艺的新型铝合金的成分设计和制备方案：即选用AlZnMgCuScZr合金，并通过热处理工艺对其微观结构进行进一步调控，从而获得具有多峰晶粒结构和复杂的分级相形态组成的微结构，实现了材料性能的可调性。该种铝合金以Al3(Scx,Zr1-x)颗粒作为形核剂，细化晶粒的同时抑制裂纹的产生。亚稳态富Mg-、Zn-、Cu-二十面体准晶（I-相）弥散分布在晶粒内部并沿晶界排列呈骨架状。后续热处理过程中可以使准晶相溶解到基体相中并后续析出h’第二相，形成(Al，Zn)3(Sc9Zr) 和h’双析出相纳米结构。

文章中的工艺手段制备出了一种微观结构变体，使SLM打印7系铝合金的屈服强度范围高达647±6 MPa，这是已报道的SLM打印铝合金强度的最高值，同时其具有可观的延展性（11.6%±1.5%）。这一研究极大拓展了SLM打印铝合金的范围，对于制备轻量化高强度机械零部件具有重要意义。

不同热处理后AlZnMgCuScZr合金中析出物的形成

论文下载链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019

来源：增材制造硕博联盟

SLM 航空航天汽车电子增材裂纹材料

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首次发布时间：2023-03-19