選擇性激光熔融高強度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金:抑制裂紋和多重強化機制

供稿人:周航 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

鋁及其合金是僅次于鋼的應用最廣泛的結(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）添加劑制造的高強度鋁合金，中南大學李瑞迪等人設計制造了一系列Al-Mg(-Si)-Sc-Zr合金。在無硅條件下，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，且極大的細化了晶粒。

圖1 Mg和Si元素對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號合金1.5 wt% Mg;(b) 2號合金3.0 wt% Mg;(c) 3號合金6.0 wt% Mg;(d) 4號合金，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。

通過進一步細化合金成分，設計了一種新型合金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時效8h后的顯微組織。（a）胞體的明亮場TEM圖像；（b）取自（a）顯示Al3(Sc，Zr)納米沉淀的明亮場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9R相。帶有CTB或ITB的9R相界用紅點線標記；（d、e、f）圖（c）中三個方框的HRTEM圖像顯示了9R和包含畸變9R結(jié)構(gòu)的FCC α-Al基體之間的擴散區(qū)。

在鋁合金類中，固溶強化、晶界強化、加工硬化和沉淀/彌散硬化是得到充分證明的強化機制。#5合金樣品中形成了高密度的層錯和獨特的9R相，其拉伸強度和伸長率分別達到497mpa和11%。經(jīng)過對各強化機制強化效果進行計算，作者認為高密度疊加缺陷(SFs)和9R長周期有序疊加(LPSO)相強化機制提供了額外強化。時效處理后，抗拉強度達到550mpa，塑性在8%~17%之間。

參考文獻：
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.