ngc型铝合金材料的制备工艺（JMST异质结构多种强化）

ngc型铝合金材料的制备工艺（JMST异质结构多种强化）图 4. (a) 粉末和完工的 AlFeCuZr 样品的 XRD 图谱。(b) 加热过程中完工的 AlFeCuZr 样品的 DTA 曲线。图 3. (a) 在能量密度方面的工艺参数优化，插图显示了用最佳工艺参数制造的 LPBF 板，垂直于建造方向的拉伸试样是从 LPBF 板上切割下来的。(b) 具有最高相对密度（能量密度为 175 J/m3）的竣工样品的 3D 光学显微照片。链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030222006478图 1. (a) AlFeCuZr 粉末的 SEM 形貌。(b) 用于 LPBF 的扫描策略。图 2. LPBF 的合金设计概念。第一步是根据可加工性、室温强度和延展性选择用于 LPBF 的基础二元合金（Al-Fe 系）。第二步是添加低扩散率合金元素以提高高温强度。最后一步

导读：铝合金的增材制造在航空航天领域受到了广泛关注。然而，实现足够高的强度，尤其是在高温下，仍然具有挑战性。本文通过激光粉末床熔合技术制造了一种无裂纹且近乎全致密的 Al-1Fe-0.6Cu-1.3Zr 合金。Al-Fe-Cu-Zr 合金表现出具有两个不同区域的异质微观结构。具有这些独特异质结构的 LPBF Al-Fe-Cu-Zr 合金在室温和高温下均显示出高强度，例如，在室温下具有 500 MPa 的高屈服强度，在 573 K时具有 163 MPa 的高屈服强度，两者都高于迄今为止报道的增材制造的铝基合金。

铝合金因其重量轻、比强度高而被广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，通过传统的减材加工制造具有复杂几何形状的铝合金部件正面临着严峻的挑战。为了解决这个问题，激光粉末床熔合（LPBF），也称为选择性激光熔化（SLM），近年来已应用于制造形状怪异的铝合金部件，这是其他方法难以制造的。然而，通过 LPBF 制造铝合金具有挑战性，因为它们的可加工性差和高氧化倾向。

迄今为止，只有少数铝合金系统可以通过 LPBF 可靠地制造，其中大多数是近共晶 Al-Si-(Mg) 合金。然而，LPBF Al-Si-Mg 合金的强度没有竞争力，在室温下通常小于 250 MPa，并且在评估温度下迅速下降。例如，屈服强度在 573 K 时降低到 80 MPa，使得这种合金在高温环境中无用。另一方面，传统的时效硬化高强度铝合金，如 2xxx (Al-Cu-Mg)、6xxx (Al-Mg-Si) 和 7xxx (Al-Zn-Mg) 系列，几乎不可能LPBF 工艺，因为它们由于涉及的高热应力而开裂。因此，迫切需要设计在室温和高温下均具有良好机械性能并同时可通过 LPBF 制造的新型铝合金。

在这里，华中科技大学柳林教授团队结合 Zr 的共晶结构和功能的优点，设计了一种新的铝基合金，即 AlFeCuZr，它具有高析出强化，并且易于通过 LPBF 制造。合金设计的概念是利用纳米析出强化与晶界偏析相结合。一种是平均晶粒尺寸为 0.95 μm 的所谓粗晶区 (CGZ)，其中纳米颗粒在 Al 基体中析出，Fe 和 Cu 在晶界共聚。另一个是平均晶粒尺寸为 0.45 μm 的细晶粒区（FGZs），在每个 α-Al 晶粒（作为晶核）中析出一个 Al3Zr 纳米颗粒，并出现富铁纳米析出物和 Fe/Cu 共偏析在 GB。结果表明，这种铝合金设计策略使我们能够在室温下实现 500 MPa 的高屈服强度，在 573 K 下实现 163 MPa 的高屈服强度，这两者都优于迄今为止报道的大多数其他 LPBF 铝合金。相关研究成果以题“Achieving high strength in laser powder-bed fusion processed AlFeCuZr alloy via dual-nanoprecipitations and grain boundary segregation”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030222006478

图 1. (a) AlFeCuZr 粉末的 SEM 形貌。(b) 用于 LPBF 的扫描策略。

图 2. LPBF 的合金设计概念。第一步是根据可加工性、室温强度和延展性选择用于 LPBF 的基础二元合金（Al-Fe 系）。第二步是添加低扩散率合金元素以提高高温强度。最后一步是添加 Zr，这会导致晶粒细化并引发纳米沉淀。

图 3. (a) 在能量密度方面的工艺参数优化，插图显示了用最佳工艺参数制造的 LPBF 板，垂直于建造方向的拉伸试样是从 LPBF 板上切割下来的。(b) 具有最高相对密度（能量密度为 175 J/m3）的竣工样品的 3D 光学显微照片。

图 4. (a) 粉末和完工的 AlFeCuZr 样品的 XRD 图谱。(b) 加热过程中完工的 AlFeCuZr 样品的 DTA 曲线。

图 5. (a) SEM 和 (b) 沿 LPBF AlFeCuZr 合金构建方向的 EBSD 图像。(c) 偏向角的分布。(d) 目前 AlFeCuZr 合金与以前的 LPBF 铝合金的晶粒尺寸比较。

图 6. (a) STEM-HAADF 图像和 (b) 粗粒区元素的 EDX 映射。(c) 晶粒内纳米沉淀物的高分辨率 TEM 图像和 (d) 纳米沉淀物的原子结构和选择性区域电子衍射 (SAED) 图。(e) STEM-HAADF 图像和 (f) 细粒区元素的 EDX 映射。图 6（e）中的插图是 SAED 图案和傅里叶逆变换图像（IFFT），显示了 Al 基体和 Al3Zr 纳米沉淀物之间的相干界面。(g h) TEM 和 HRTEM 图像显示三结处的富铁纳米沉淀物。

图 7 不同温度下 (a) LPBFed AlFeCuZr 合金的拉伸应力-应变曲线（拉伸样品的取样方向垂直于制造方向）和 (b) 铸态 AlFeCuZr 合金。(c-e) LPBFed AlFeCuZr 样品在不同温度下拉伸试验后的断裂形态。

图 8 本合金与其他 LPBF 铝合金和常规高强度铝合金的屈服强度比较。

图 9. (a) 有限元法处理 LPBF 过程中单个熔池中的模拟温度场。(b) 基于有限元模拟计算的熔池不同位置的冷却曲线。插图是位置 a、b、c 和 d 的相应冷却速率。(c) 熔池粗晶区（CGZs）和熔池边界细晶区（FGZs）的形成，以及CGZs和FGZs中不同的析出物和晶界偏析的示意图。

图 10. (a) 室温下每种强化机制的贡献和 (b) 室温下断裂样品的 TEM 图像，显示晶界和 Al3Zr 颗粒处的位错堆积。(c) HRTEM、FFT 和 IFFT 显示边缘位错被晶粒内的 Al3Zr 颗粒阻挡。(d) 473 K 10% 应变高温变形后 CGZ 和 FGZ 的 EDX 映射。(e) 473 K 高温变形（10% 应变）后断裂样品的 TEM 图像。

在这项工作中，通过 LPBF 开发了一种具有优异室温和高温强度的新型无裂纹和近乎全致密的 AlFeCuZr 合金。建成的 AlFeCuZr 合金呈现出具有两个不同区域的异质微观结构：一个由细晶粒组成，而另一个由粗晶粒组成。在粗晶区，(Al Cu)Fe3纳米粒子在晶粒内部析出，而Fe和Cu在晶界处共偏析。在细晶粒区，Al3Zr 颗粒在每个晶粒内析出，而 Fe 和 Cu 共偏聚以及纳米级富铁金属间相在 GBs 处形成。建成后的 AlFeCuZr 合金的屈服强度在室温下高达 500 MPa，在 573 K 时高达 163 MPa，超过了大多数传统的 LPBF 铝合金。如此好的高温强度归因于双纳米析出强化和GB偏析。这项工作展示了一种新的微观结构设计策略，可以有效地利用 LPBF 制造的铝合金中的共晶结构和析出强化效应。