性能堪比鍛造！西工大黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)選擇性激光熔化高強(qiáng)高韌 Al-Mg-Sc-Zr 合金

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性是對結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵要求之一,。然而,，強(qiáng)度和韌性通常是相互排斥的,。在這里,，本文報(bào)告了一種選擇性激光熔化的 Al-Mg-Sc-Zr 合金，它具有良好的強(qiáng)度和韌性組合,，可與 7075-T651 高強(qiáng)度鍛造鋁合金相媲美,。盡管由于二次 Al 3 (Sc,Zr) 納米沉淀物導(dǎo)致的有序平面滑移導(dǎo)致脆性裂紋，但通過與其超細(xì)和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的多種內(nèi)在/外在增韌機(jī)制,，有效地提高了斷裂韌性,。目前的工作為制造高強(qiáng)度和高韌性的鋁基合金提供了一種有效的策略。

高強(qiáng)度鋁合金由于其眾所周知的優(yōu)越比強(qiáng)度而被用作商用和軍用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料,。對于大多數(shù)對安全至關(guān)重要的應(yīng)用,，高斷裂韌性是滿足損傷容限設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵特性之一。然而,，韌性通常隨著強(qiáng)度的提高而降低,，這被稱為強(qiáng)度-韌性權(quán)衡. 這導(dǎo)致設(shè)計(jì)者可以安全使用的高強(qiáng)度鋁合金的屈服強(qiáng)度受到限制。因此,，在高強(qiáng)度鋁合金的制造中需要處理這種沖突的新策略,。

選擇性激光熔化(SLM) 是一種越來越重要的增材制造(AM) 技術(shù)，可以直接制造復(fù)雜的金屬部件,。除了提高設(shè)計(jì)靈活性和高材料利用率等優(yōu)點(diǎn)外,，SLM 工藝的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是熔池凝固過程中的高冷卻速度 (~10 5 –10 6 K/s)，這提供了快速凝固制備具有超細(xì)和亞穩(wěn)態(tài)微結(jié)構(gòu)的高性能材料的條件 ,�,；�于此，SLM 處理的 Sc/Zr 改性的 Al-Mg 和 Al-Mn 基合金實(shí)現(xiàn)了與高強(qiáng)度 7xxx 鍛造鋁基合金相當(dāng)?shù)母咔�服�?qiáng)度,。

通常,，斷裂韌性與裂紋尖端和局部微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用有關(guān)。特別地,，SLM處理的Al-Mg（Mn）的-Sc -鋯合金不僅具有超細(xì)第二相粒子也呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)的α-Al基體組織（具有等軸和柱狀晶�,；旌希���此外,，激光軌跡的重疊進(jìn)一步在宏觀尺度上產(chǎn)生了空間異質(zhì)微結(jié)構(gòu),。因此，它們的斷裂韌性將與裂紋尖端與超細(xì)和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用有關(guān),。

在此，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種 SLM 處理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金,，具有良好的強(qiáng)度和韌性組合,，可與 7075-T651 鍛造鋁合金相媲美,。基于與超細(xì)和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)在和外在增韌機(jī)制,，討論了良好的強(qiáng)度-韌性協(xié)同作用的潛在機(jī)制,。相關(guān)研究成果以題“Making selective-laser-melted high-strength Al–Mg–Sc–Zr alloy tough via ultrafine and heterogeneous microstructure”發(fā)表在國際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646221003328


圖1 SEM 圖像顯示了 SLM 處理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金中的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)（a,，b）,；EBSD圖顯示了非均質(zhì) α-Al 晶粒結(jié)構(gòu) (c)；UFG 帶和 CG 域中的晶粒尺寸分布 (d),；建筑方向如（a）中的黃色箭頭所示,。


圖2 BF 圖像 (a)、Mg (b),、Sc (c),、Zr (d)、Mn (f),、Fe (g),、Si (h) 和 HAADF 圖像 (e) 的 STEM-EDS 映射結(jié)果顯示了SLM 處理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金中亞微米級的第二相顆粒；HAADF 圖像,、沿 <001> 軸 (ik) 截取的 Sc 元素的 STEM-EDS 映射結(jié)果,，以及確認(rèn)二次 Al 3 (Sc,Zr)-L1 2析出物有序結(jié)構(gòu)的 FFT 模式 (l) 。

Al-Mg-Sc-Zr合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和載荷-裂紋張開位移(COD)曲線分別如圖3a和圖b所示,。由于缺乏與晶粒超細(xì)化相關(guān)的位錯(cuò)積累,，合金在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出較低的屈服點(diǎn)延伸率和整體應(yīng)變硬化能力。在斷裂韌性試驗(yàn)中,，SLM-H和SLM-V試樣在載荷曲線中均表現(xiàn)出突現(xiàn)特征,。表1列出了屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度(ovrs),、斷裂延伸率(ef),、面積收縮率(RA)彈性模量(E)、應(yīng)變硬化指數(shù)(n)和平面應(yīng)變斷裂韌性(Krc),。結(jié)果表明,，該合金的抗拉強(qiáng)度各向異性較低，而拉伸延性(ef和R4)各向異性明顯,。SLM-V試件的拉伸延性低于SLM-H試件,，這是表現(xiàn)為剪切唇區(qū)越少SLM-V標(biāo)本(圖3)。slm制備的Al- mg - sc - zr合金具有良好的強(qiáng)度和韌性組合,，與7075- t651高強(qiáng)度變形鋁合金相當(dāng),。SLM-V和SLM-H試件的建筑方向與拉伸軸線的關(guān)系如圖3d所示。


圖3 SLM處理的Al-Mg-Sc-Zr合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）、載荷-COD曲線（b）,，（a）中的插圖顯示了拉伸試樣和剪切唇的典型宏觀斷裂特征區(qū)域通過箭頭表示,；SLM 加工的 Al-Mg-Sc-Zr 合金與典型 2xxx、7xxx 和 Al-Li鍛造合金的強(qiáng)度和韌性的比較（c）,；SLM-H/SLM-V 試樣的拉伸軸與構(gòu)建方向之間的關(guān)系概述,。


圖 4 (a) SLM 處理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金內(nèi)在和外在增韌機(jī)制的示意圖；(b) 在SLM-H (b) 和 SLM-V(c) 試樣的斷裂韌性測試后,，在分離的斷裂面上檢查的代表性宏觀特征,；SEM、OM 和EBSD特征在分離的斷裂表面和沿裂紋擴(kuò)展方向的截面上進(jìn)行檢查,，顯示了 SLM-H(d) 和 SLM-V(e) 的外在增韌機(jī)制（裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋分支）標(biāo)本,。

總之，由于熔池凝固過程中初生 Al 3 (Sc,Zr) 相的高冷卻速率和不均勻析出,，在 SLM 處理的 Al-Mg-Sc -Zr合金中獲得了超細(xì)且非均質(zhì)的顯微組織,。成分顆粒的超細(xì)化促進(jìn)了內(nèi)在增韌，而非均質(zhì) α-Al 基體微觀結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了外在增韌機(jī)制,，如裂紋偏轉(zhuǎn)或分支,。盡管由于二次 Al 3 (Sc,Zr) 納米析出物導(dǎo)致的有序平面滑移導(dǎo)致脆性裂紋，但斷裂韌性通過與超細(xì)和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的多種內(nèi)在/外在增韌機(jī)制得到有效改善,。這項(xiàng)研究展示了一種制造高強(qiáng)度和高韌性鋁基合金的新策略,。