在增材制造的鋁合金中定制分層微觀結(jié)構(gòu)和納米析出相,，同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性

來源： 洞察金屬增材制造

鑒于綠色制造，減少碳排放的要求,，增材制造（AM）鈦合金和鋁合金是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注和努力的方向,，因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)材料的密度低，比強(qiáng)度高,。近幾年,，不斷有新型的高溫高強(qiáng)鋁合金以及高強(qiáng)高導(dǎo)熱鋁合金成功商業(yè)化的案例，比如A20X,，CP1等,。近來，來自上交的科研團(tuán)隊(duì),，研發(fā)出了高強(qiáng)鋁合金,。

為了克服粉床選區(qū)激光熔覆（PBF-LB）過程中時(shí)效強(qiáng)化鋁合金中強(qiáng)度-韌性的難題，科研人員采用了以下策略：
1. 增加預(yù)合金化粉末中主要析出相形成元素Zn和Mg的含量,，確保最終狀態(tài)下η'（MgZn2）析出相的數(shù)量,；
2. 在粉末中添加納米Nb顆粒，促進(jìn)PBF-LB成型過程中的晶粒細(xì)化,，從而抑制裂紋,；
3. 采取固溶熱處理，通過調(diào)整再結(jié)晶晶粒的體積來獲得雙峰晶粒分布；
4. 采用峰值時(shí)效熱處理,，旨在η'納米沉淀物完全析出,。

用A20X粉末打印的樣件，圖源：Eckart

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本研究選用高度合金化的Al-Zn-Mg-Cu-Nb鋁合金粉末,，組分為Al-11Zn-2.4Mg-1.6Cu,。先用電弧爐預(yù)合金化得到母合金，然后通過氣霧化制得球形粉末,。該粉末與Nb納米顆粒（含量為1.5%）在TURBULA T2F中混合2 h,。粉末的粒徑分布為D10 = 23μm, D50 = 42 μm, D90 = 78 μm。

由于低熔點(diǎn)元素如Zn和Mg易氣化,，在PBF-LB構(gòu)建過程中引入了相對(duì)較大的氬氣氣流來去除飛濺物,。基板選用7075鋁合金,，預(yù)加熱溫度為150℃,，氧含量低于100 ppm。最終的合金成分為Al-9.5Zn-2.2Mg-1.6Cu-1.5Nb,。

打印態(tài)的鋁合金經(jīng)過了固溶熱處理（在450-490 ℃保溫0-120 min,，然后水淬）和在油浴爐里進(jìn)行峰值時(shí)效熱處理（在120 ℃保溫24 h）。

微觀組織及形成機(jī)理
在構(gòu)建態(tài)下,，微觀組織呈全等軸晶,，在每一個(gè)熔池中都有交替分布的超細(xì)晶粒（UFGs）和細(xì)晶粒（FGs），其中約70%為UFGs,，約30%為FGs,。這歸功于Al3Nb初生相的強(qiáng)形核能力。整個(gè)微觀組織以Al為集體相,，初生相為Al3Nb,，次生相主要為S (Al2CuMgNb) 和Al7Cu2Fe。

在450 ℃下,，保溫20 min后,，雙峰微觀組織轉(zhuǎn)變成了粗晶（CGs）和約18%的FGs。粗晶的含量隨固溶熱處理溫度的升高而增多,。熔池底部的FGs保留了下來,，頂部的UFGs明顯長粗了。FGs中的大角度晶界和小角度晶界無明顯變化,，而CGs中的大角度晶界顯著減少了,，表明粗晶是源于再結(jié)晶。

在450 ℃下,，構(gòu)建態(tài)中的η'相在3 min內(nèi)能完全溶解,，其中的Zn/Mg溶質(zhì)原子,，可在短時(shí)間的固溶處理后用于后續(xù)的時(shí)效處理。

由于Nb納米顆粒的體積小,，表面能大,，所以在激光下會(huì)快速熔化。在激光掃過后,，Nb與鋁反應(yīng),，形成Al3Nb的初生相，從熔液中析出,。在UFGs區(qū)域,，存在大量的Al3Nb初生相顆粒，相反,，在FGs區(qū)域,，僅有少量初生相Al3Nb，因?yàn)镹b溶解在Al基體里,。這是由于熔池中心區(qū)域的冷卻速率比底部更高,。初生相析出的臨界冷卻速率約為~8.08 × 10E6 K/s。

由于Al3Nb和基體Al之間存在較大的熱不匹配,，因此界面處存在應(yīng)力集中和高密度的纏結(jié)位錯(cuò),。這給固溶處理期間再結(jié)晶提供了高驅(qū)動(dòng)力，最終導(dǎo)致UFGs轉(zhuǎn)變?yōu)镃Gs,。

η相在溫度高于440 °C時(shí)開始溶解,，S相在480 °C左右開始溶解，而 Al7Cu2Fe相則在500 °C以上溶解,。由于Nb的擴(kuò)散速率很低，因此強(qiáng)化了S相的穩(wěn)定性,，F(xiàn)Gs的保留很大程度上歸功于齊納釘扎力,。

在490 ℃下，保溫60 min后,，F(xiàn)Gs也發(fā)生了再結(jié)晶,，因?yàn)椴糠执紊�相也溶解在了Al基體中。

△構(gòu)建態(tài)中Al3Nb初生相和Nb元素的分布圖

機(jī)械性能
下圖顯示了PBF-LB樣品經(jīng)過各種固溶處理和峰值時(shí)效強(qiáng)化后的拉伸結(jié)果,。經(jīng)過450 °C/20 min固溶處理和峰值時(shí)效強(qiáng)化后,，樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和良好的延展性，抗拉強(qiáng)度（UTS）和屈服強(qiáng)度（YS）分別高達(dá)728 MPa和 648 MPa,，延伸率（EL）約為 5.1%,。相比之下，經(jīng)過490 °C/60 min熱處理后的樣品強(qiáng)度明顯降低了,，其中FGs和雙峰晶粒微觀結(jié)構(gòu)幾乎消失,，但EL增至約 6.6%,。

經(jīng)估算對(duì)比晶界強(qiáng)化 (σGB)、沉淀強(qiáng)化 (σP),、固溶強(qiáng)化 (σSS) 和彌散強(qiáng)化 (σDIS),，沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)度高的主因，歸因于在時(shí)效強(qiáng)化熱處理中析出的η'納米沉淀物的數(shù)量密度高,。雙峰晶粒引起了異變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化,。

△應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

△強(qiáng)度與應(yīng)變關(guān)系圖

結(jié)論
在凝固的熔池中產(chǎn)生的原生異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括交替分布的細(xì)晶粒（FGs）和超細(xì)晶粒（UFGs）區(qū),，以及非均勻分布的原生Al3Nb顆粒,、位錯(cuò)和殘余應(yīng)力，為再結(jié)晶提供了不同的驅(qū)動(dòng)力和齊納釘扎,，從而在固溶處理后形成了雙模晶粒結(jié)構(gòu),。雙峰晶粒結(jié)構(gòu)為合金提供了額外的強(qiáng)化機(jī)制：HDI強(qiáng)化和HDI加工硬化。由于η′納米沉淀物的數(shù)量密度很高,，因此析出硬化效果極佳,，同時(shí)也提高了合金的強(qiáng)度和延展性。

該研究中涉及的策略易于實(shí)施并可節(jié)省相關(guān)成本,，同時(shí)也適用于其他熱處理合金,，如通過PBF-LB、直接能量沉積（DED）和電子束熔化（PBF-EB）等各種AM技術(shù)加工的銅合金,、鈦合金,、鎂合金、鎳基超合金和鋼,。


參考資料：
[1] https://doi.org/10.1038/s43246-024-00489-1