南科大研發(fā)新型3D打印高強韌Al7000系列鋁合金

近日，南方科技大學機械與能源工程系逯文君助理教授團隊、德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊和新加坡制造技術(shù)研究院Sharon Mui Ling Nai團隊在Materials Today聯(lián)合發(fā)表論文，報道了一種通過選擇性激光熔化（SLM）和熱處理技術(shù)制造出的具有前所未有的強度-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鋁合金的高強度超過了647Mpa，這是SLM生產(chǎn)的鋁合金的高報告值，同時具有約11.6%的可觀延展性。具有可調(diào)節(jié)分級微觀結(jié)構(gòu)的高強度的Al7000系列合金的成功制造為設計和微調(diào)SLM工藝生產(chǎn)高機械載荷作用下的鋁合金部件鋪平了道路。

SLM制備的鋁合金在不同熱處理工藝下的工程應力-應變曲線圖與其他類型的鋁合金性能對比圖及，針對打印態(tài)與退火態(tài)的鋁合金材料微觀組織結(jié)構(gòu)的電鏡分析圖

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，從而導致了其在SLM制備過程中易產(chǎn)生開裂等問題。其中，時效硬化型高強鋁合金如7000系鋁合金尤為明顯。因此，如何應用SLM制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術(shù)難點。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)影響機理尚不清楚，地限制了此類鋁合金工程應用范圍。

為此，南方科技大學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計：AlZnMgCuScZr，利用熱處理工藝對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，得到了能同時擁有晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)與雙析出相結(jié)構(gòu)的微觀組織，并最終優(yōu)化其綜合力學性能。

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)來定制合金機械響應的途徑。通過調(diào)整后續(xù)熱處理參數(shù)，可促使準晶相溶解到基體中以及后續(xù)的時效析出強化型第二相（η'）。同時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度范圍高達647 ± 6 MPa，這是已知的SLM生產(chǎn)的鋁合金的高值，同時具有可觀的延展性11.6% ± 1.5%。可調(diào)分級微觀結(jié)構(gòu)設計策略可用于更廣泛的SLM生產(chǎn)的 Al7000系列合金，對于輕量化應用具有重要潛力。