近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)、北京科技大學(xué)毛新平院士團(tuán)隊(duì)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊(duì)合作，在增材制造（3D打?。╀X合金領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊 Materials Today 上。

該研究表明通過激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造技術(shù)，可促使鋁合金同時(shí)具備細(xì)化的多模態(tài)晶粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)與納米尺度的面缺陷（如層錯(cuò)，孿晶界，9R相），以此優(yōu)化材料力學(xué)性能，使其屈服強(qiáng)度達(dá)到迄今為止幾乎所有L-PBF生產(chǎn)的鋁合金中最高水平（~656 MPa），并同時(shí)具有可觀的延伸率（~7.2%）。該類高強(qiáng)韌鋁合金的成功研發(fā)為用于先進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高性能鋁合金部件提供了新的范式，有利于輕量化設(shè)計(jì)和減少碳足跡。

金屬增材制造技術(shù)作為一種先進(jìn)的材料成形工藝，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)與成型及高性能合金的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的機(jī)遇。在雙碳約束與加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力戰(zhàn)略的背景下，市場對(duì)產(chǎn)品輕質(zhì)高強(qiáng)化的需求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。因此，具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件受到了航空航天、汽車工業(yè)和國防工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，大多數(shù)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(xué)性能較差。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(qū)間大，在打印過程的極端凝固條件下極易發(fā)生熱裂現(xiàn)象，從而難以制備。朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)之前的研究均表明，通過原位形成或外部引入與鋁基體晶格匹配的異質(zhì)形核顆粒，和/或含有高生長限制因子（即高Q值）的有效溶質(zhì)，可以在打印過程中引發(fā)顯著的晶粒細(xì)化與消除裂紋。然而，這些鋁合金在強(qiáng)度和延展性之間難以實(shí)現(xiàn)令人滿意的平衡，對(duì)打印鋁合金的更廣泛的商業(yè)部署與工業(yè)應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

近期，材料學(xué)界在開發(fā)高性能金屬材料取得的突破揭示了引入納米級(jí)強(qiáng)化面缺陷（如孿晶邊界，層錯(cuò)，9R相）以提高力學(xué)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(qiáng)度、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。但迄今為止，相關(guān)研究大多局限于具有中、低層錯(cuò)能的金屬材料（如銅和銀等），在具有高層錯(cuò)能的金屬(如鋁)中則很難形成納米孿晶組織。

對(duì)于工業(yè)上廣泛使用的鋁及鋁合金而言，如果能形成這些納米級(jí)的面缺陷進(jìn)行強(qiáng)化，則有望大幅度提高其強(qiáng)度，從而擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍。通常而言，將鋁與低層錯(cuò)能金屬（如鐵，銀，鎂等）復(fù)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(fù)雜、條件嚴(yán)苛，同時(shí)需要利用低層錯(cuò)能金屬作為孿晶源以誘發(fā)孿晶生長且僅能制備薄膜材料。對(duì)于塊狀材料而言，目前主要通過嚴(yán)重塑性變形來引入這些納米尺度的面缺陷進(jìn)行強(qiáng)化，其實(shí)際應(yīng)用則受到限制。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(qiáng)化的塊狀鋁材料仍是國際性難題，相關(guān)研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

圖1 打印態(tài)鋁合金中具有三模態(tài)晶粒分布的分級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)上述問題，朱強(qiáng)與其合作者提出了一種通過增材制造技術(shù)制備具有超細(xì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)與納米尺度面缺陷強(qiáng)化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料，其兼具超高強(qiáng)度與高塑性。研究表明打印態(tài)鋁合金展示出三模態(tài)晶粒分布的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)：超細(xì)等軸晶，細(xì)等軸晶與細(xì)小柱狀晶，主要是由于Al3(Sc,Zr)顆粒的不均勻析出而形成。進(jìn)一步的微觀組織表征還發(fā)現(xiàn)納米尺度的面缺陷，包括高密度的層錯(cuò)、孿晶界與9R相。打印態(tài)的合金展示出優(yōu)異的力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度~461 MPa，延伸率~21％。為進(jìn)一步增幅沉淀強(qiáng)化效果，課題組采用直接時(shí)效熱處理（300攝氏度下4小時(shí)）促進(jìn)大量納米強(qiáng)化相的析出。同時(shí)，打印態(tài)組織中的納米級(jí)面缺陷和三模態(tài)晶粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱處理后也得以保留，這成就了超高強(qiáng)度與優(yōu)異塑性的結(jié)合。熱處理態(tài)合金~656MPa的屈服強(qiáng)度超過了之前報(bào)道的幾乎所有增材制造高強(qiáng)鋁合金與鍛造鋁合金。

圖2 打印態(tài)鋁合金中的納米級(jí)面缺陷圖

圖3 L-PBF制備鋁合金在打印態(tài)和熱處理后的拉伸性能圖

南方科技大學(xué)-香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)2021級(jí)博士生李干為論文第一作者，南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授、香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士、昆士蘭大學(xué)張明星教授和北京科技大學(xué)黃禹赫講師（原南方科技大學(xué)博士后）為論文共同通訊作者。此外，南科大機(jī)械系副教授逯文君、博士生候軍華、碩士生賀喜與材料系研究教授黎興剛也為論文的發(fā)表作出重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、深圳市高機(jī)能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等資助。

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