選擇性激光熔融高強(qiáng)度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金:抑制裂紋和多重強(qiáng)化機(jī)制

供稿人:周航 魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鋁及其合金是僅次于鋼的應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，選擇性激光熔化（SLM）是發(fā)展最廣泛的增材制造方法之一。然而，SLM部件常存在開裂、球化和氣孔等冶金缺陷，只有有限數(shù)量的金屬適合打印具有令人滿意密度、所需微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的部件。為了開發(fā)用于選擇性激光熔化（SLM）添加劑制造的高強(qiáng)度鋁合金，中南大學(xué)李瑞迪等人設(shè)計(jì)制造了一系列Al-Mg(-Si)-Sc-Zr合金。在無(wú)硅條件下，所研制的Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr（x=1.5,3.0和6.0wt%）合金均易發(fā)生熱裂紋。在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%Si，有效地抑制了SLM過程中的熱裂紋，且極大的細(xì)化了晶粒。

圖1 Mg和Si元素對(duì)SLM印刷樣品凝固裂紋和相的影響。數(shù)字（a~d） 顯示75 J/mm3 VED下SLM打印樣品的光學(xué)顯微照片。（a1）和（a2）：含1.5 wt% Mg的#1合金；（b1）和（b2）：含3.0 wt% Mg的#2合金；（c1）和（c2）：含6.0 wt% Mg的#3合金；（d1）和（d2）：含6.0 wt%Mg+1.3 wt% Si的#4合金。構(gòu)建方向是從下到上。

圖2 EBSD圖顯示了不同成分下印刷樣品的晶粒尺寸和形貌。(a) 1號(hào)合金1.5 wt% Mg;(b) 2號(hào)合金3.0 wt% Mg;(c) 3號(hào)合金6.0 wt% Mg;(d) 4號(hào)合金，6.0 wt% Mg+1.3 wt% Si。用反極圖(IPF)表示鋁的結(jié)晶取向。構(gòu)建方向是從下到上。

通過進(jìn)一步細(xì)化合金成分，設(shè)計(jì)了一種新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。這種新合金顯示出明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，包括亞微米胞體和相干的Al3(Sc，Zr)納米粒子（2~15nm）存在于晶胞和晶間Al-Mg2Si共晶（Mg2Si直徑為10~100nm）。

圖3 鑄造合金#5在360°C時(shí)效8h后的顯微組織。（a）胞體的明亮場(chǎng)TEM圖像；（b）取自（a）顯示Al3(Sc，Zr)納米沉淀的明亮場(chǎng)TEM圖像；（C）HRTEM圖像（a）顯示9R相和FCC α-Al基體，嵌入SAD圖案確認(rèn)9R相。帶有CTB或ITB的9R相界用紅點(diǎn)線標(biāo)記；（d、e、f）圖（c）中三個(gè)方框的HRTEM圖像顯示了9R和包含畸變9R結(jié)構(gòu)的FCC α-Al基體之間的擴(kuò)散區(qū)。

在鋁合金類中，固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、加工硬化和沉淀/彌散硬化是得到充分證明的強(qiáng)化機(jī)制。#5合金樣品中形成了高密度的層錯(cuò)和獨(dú)特的9R相，其拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到497mpa和11%。經(jīng)過對(duì)各強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化效果進(jìn)行計(jì)算，作者認(rèn)為高密度疊加缺陷(SFs)和9R長(zhǎng)周期有序疊加(LPSO)相強(qiáng)化機(jī)制提供了額外強(qiáng)化。時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到550mpa，塑性在8%~17%之間。

參考文獻(xiàn)：
Li, R., et al., Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: Crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms. Acta Materialia, 2020. 193: p. 83-98.