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

來源：材料學網(wǎng)

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

高強度鋁合金由于其眾所周知的優(yōu)越比強度而被用作商用和軍用飛機的主要結(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)計要求的關(guān)鍵特性之一。然而，韌性通常隨著強度的提高而降低，這被稱為強度-韌性權(quán)衡. 這導致設(shè)計者可以安全使用的高強度鋁合金的屈服強度受到限制。因此，在高強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)計靈活性和高材料利用率等優(yōu)點外，SLM 工藝的另一個重要優(yōu)點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 基合金實現(xiàn)了與高強度 7xxx 鍛造鋁基合金相當?shù)母咔�服強度�?br />
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)大學黃衛(wèi)東教授團隊報告了一種 SLM 處理的 Al-Mg-Sc-Zr 合金，具有良好的強度和韌性組合，可與 7075-T651 鍛造鋁合金相媲美�；�于與超細和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)在和外在增韌機制，討論了良好的強度-韌性協(xié)同作用的潛在機制。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化相關(guān)的位錯積累，合金在拉伸試驗中表現(xiàn)出較低的屈服點延伸率和整體應(yīng)變硬化能力。在斷裂韌性試驗中，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列出了屈服強度、極限抗拉強度(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標本(圖3)。slm制備的Al- mg - sc - zr合金具有良好的強度和韌性組合，與7075- t651高強度變形鋁合金相當。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展方向的截面上進行檢查，顯示了 SLM-H(d) 和 SLM-V(e) 的外在增韌機制（裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋分支）標本。

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合金中獲得了超細且非均質(zhì)的顯微組織。成分顆粒的超細化促進了內(nèi)在增韌，而非均質(zhì) α-Al 基體微觀結(jié)構(gòu)誘導了外在增韌機制，如裂紋偏轉(zhuǎn)或分支。盡管由于二次 Al 3 (Sc,Zr) 納米析出物導致的有序平面滑移導致脆性裂紋，但斷裂韌性通過與超細和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的多種內(nèi)在/外在增韌機制得到有效改善。這項研究展示了一種制造高強度和高韌性鋁基合金的新策略。