南科大研發(fā)新型3D打印高強(qiáng)韌鋁合金，強(qiáng)度突破已知極限

近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系逯文君助理教授團(tuán)隊(duì)、德國馬普鋼鐵所DierkRaabe教授團(tuán)隊(duì)和新加坡先進(jìn)制造技術(shù)研究院SharonMuiLingNai團(tuán)隊(duì)在MaterialsToday聯(lián)合發(fā)表論文，報(bào)道了一種通過選擇性激光熔化（SLM）和熱處理技術(shù)制造出的具有*的強(qiáng)度-韌性協(xié)同作用的無裂紋7000系鋁合金材料。

研究發(fā)現(xiàn)，通過SLM+熱處理工藝，使AlZnMgCuScZr鋁合金的*高強(qiáng)度超過了647Mpa，這是SLM生產(chǎn)的鋁合金的*高報(bào)告值，同時(shí)具有約11.6%的可觀延展性。具有可調(diào)節(jié)分級微觀結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度的Al7000系列合金的成功制造為設(shè)計(jì)和微調(diào)SLM工藝生產(chǎn)高機(jī)械載荷作用下的鋁合金部件鋪平了道路。

鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的輕質(zhì)合金材料卻有著較高的激光反射率、較差的鋪展性及高的表面氧化性，從而導(dǎo)致了其在SLM制備過程中易產(chǎn)生開裂等問題。其中，時(shí)效硬化型高強(qiáng)鋁合金如7000系鋁合金尤為明顯。因此，如何應(yīng)用SLM高效制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術(shù)難點(diǎn)。有研究表明，添加Si、Sc、Zr或ZrH2可打印無裂紋的7000系列鋁合金。然而，與傳統(tǒng)鑄造合金相比，通過SLM制備的鋁合金的綜合力學(xué)性能仍然處于較低水平。除此之外，SLM打印參數(shù)及后續(xù)熱處理工藝對鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)影響機(jī)理尚不清楚，極大地限制了此類鋁合金工程應(yīng)用范圍。

為此，南方科技大學(xué)逯文君及其合作者提出了一種適用于SLM工藝的新型鋁合金成分設(shè)計(jì)：AlZnMgCuScZr，利用熱處理工藝對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，得到了能同時(shí)擁有晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)與雙析出相結(jié)構(gòu)的微觀組織，并*終優(yōu)化其綜合力學(xué)性能。

該材料具有結(jié)構(gòu)化的微觀結(jié)構(gòu)，由多峰晶粒和復(fù)雜的分級相形態(tài)組成。它由初級Al3(Scx,Zr1-x)顆粒組成，作為超細(xì)晶粒的孕育劑，防止裂紋形成。亞穩(wěn)態(tài)的富鎂、鋅和銅的二十面體準(zhǔn)晶（I相）普遍分散在晶粒內(nèi)部，并沿晶界排列為花絲骨架。對所有層級的理解打開了通過調(diào)整熱處理參數(shù)來定制合金機(jī)械響應(yīng)的途徑。通過調(diào)整后續(xù)熱處理參數(shù)，可促使準(zhǔn)晶相溶解到基體中以及后續(xù)的時(shí)效析出強(qiáng)化型第二相（η'）。同時(shí)在熱處理過程中析出二次的Al3(Sc,Zr)納米顆粒，形成η'和Al3(Sc,Zr)雙析出相納米結(jié)構(gòu)。

采用該工藝手段生產(chǎn)出了一種微觀結(jié)構(gòu)變體，該變體使合金的屈服強(qiáng)度范圍高達(dá)647±6MPa，這是已知的SLM生產(chǎn)的鋁合金的*高值，同時(shí)具有可觀的延展性11.6%±1.5%。可調(diào)分級微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略可用于更廣泛的SLM生產(chǎn)的Al7000系列合金，對于輕量化應(yīng)用具有重要潛力。

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