呂堅(jiān)院士/毛新平院士等MT封面文章：采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)打印超高強(qiáng)鋁合金

2024年7月18日，南極熊注意到，由香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士領(lǐng)銜，聯(lián)合北京科技大學(xué)毛新平院士、南方科技大學(xué)朱強(qiáng)教授、昆士蘭大學(xué)張明星教授及寶航新材料公司等頂尖團(tuán)隊(duì)，在高性能鋁合金的研發(fā)上取得了重大突破。該研究團(tuán)隊(duì)采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)，成功制備出具有超細(xì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)與納米級(jí)面缺陷強(qiáng)化的Al-4.71Mg-0.85Mn-1.28Sc-0.56Zr合金材料，這一成果標(biāo)志著鋁合金增材制造技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。

該合金材料在熱處理后展現(xiàn)出卓越的性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度高達(dá)656 MPa，同時(shí)保持了7.2%的延伸率，這一數(shù)據(jù)不僅刷新了L-PBF技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金強(qiáng)度記錄，也展示了其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。這一創(chuàng)新成果Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects已作為封面文章發(fā)表在頂尖學(xué)術(shù)期刊Materials Today上（影響因子：21.1），引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

在當(dāng)前“雙碳”戰(zhàn)略背景下，市場(chǎng)對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求日益增長(zhǎng)，特別是在航空航天、汽車及國(guó)防等關(guān)鍵領(lǐng)域。傳統(tǒng)鋁合金增材制造受限于材料性能與工藝復(fù)雜性，難以滿足高端應(yīng)用的需求。本研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，以高M(jìn)g含量的5083鋁合金為基礎(chǔ)，通過(guò)精細(xì)調(diào)控合金成分與工藝參數(shù)，成功在鋁基體中引入了納米級(jí)面缺陷，包括層錯(cuò)、孿晶界及9R相等，這些缺陷作為有效的強(qiáng)化機(jī)制，提升了合金的力學(xué)性能。尤為值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“邊邊匹配”模型晶體學(xué)計(jì)算，精確選定了與Al基體匹配度最佳且熱力學(xué)穩(wěn)定的L12型Al3Sc相作為細(xì)化晶粒的關(guān)鍵。同時(shí)，為防止熱處理過(guò)程中析出相粗化，引入了熱擴(kuò)散速率較慢的Zr元素，形成了復(fù)雜的Al3(Sc,Zr)相作為異質(zhì)形核基底，進(jìn)而在打印中促進(jìn)晶粒細(xì)化與抑制裂紋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，打印態(tài)下的鋁合金展現(xiàn)出獨(dú)特的三模態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)，由超細(xì)等軸晶、細(xì)等軸晶及細(xì)小柱狀晶共同構(gòu)成，這一分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要?dú)w因于Al3(Sc,Zr)顆粒在材料內(nèi)部的不均勻析出。深入的微觀組織分析進(jìn)一步揭示了納米級(jí)層面的面缺陷，包括高密度層錯(cuò)、孿晶界以及9R相的存在。此打印態(tài)合金屈服強(qiáng)度達(dá)到約461 MPa，同時(shí)保持約21%的延伸率。

為了進(jìn)一步提升其沉淀強(qiáng)化效果，研究團(tuán)隊(duì)采用了直接時(shí)效熱處理工藝，即在300攝氏度下處理4小時(shí)，以促進(jìn)更多納米級(jí)強(qiáng)化相的析出。值得注意的是，熱處理不僅增強(qiáng)了強(qiáng)化效果，還成功保留了打印態(tài)組織中原有的納米級(jí)面缺陷及三模態(tài)晶粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這一雙重作用賦予了合金優(yōu)異的綜合性能——既具備超高的屈服強(qiáng)度（約656 MPa），又保持了優(yōu)異的塑性（約7.2%）。這一熱處理后的合金性能，顯著超越了目前已知的大多數(shù)增材制造高強(qiáng)鋁合金及鍛造鋁合金的屈服強(qiáng)度記錄。

香港城市大學(xué)-南方科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生李干為論文第一作者，寶航新材料趙春祿為論文共同第一作者，通訊作者為香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士，南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授，昆士蘭大學(xué)張明星教授與北京科技大學(xué)黃禹赫博士。展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)表示將繼續(xù)優(yōu)化合金成分與工藝路線，以期實(shí)現(xiàn)3D打印塊狀鋁合金更高力學(xué)性能的突破，使之在未來(lái)制造業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用。同時(shí)，他們也將積極探索該技術(shù)在其他高性能材料開發(fā)中的應(yīng)用潛力，為增材制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006