AlZnMgCuScZr 合金通过可调分级微观结构和双纳米析出技术实现优异的力学性能

选择性激光熔化（SLM）技术凭借其通过逐层堆叠高效制造复杂金属部件的能力，正逐渐成为颠覆性的工业制造标准。迄今为止，成功应用于SLM的大多数合金主要借鉴了可焊接材料，例如钢、Ti6Al4V、高熵合金以及镍合金如Inconel 718。相比之下，铝合金的SLM更具挑战性，原因在于其高激光反射率、较差的铺展性以及严重的表面氧化倾向，这些特性使其不太适用于SLM。到目前为止，为SLM定制的商用铝合金主要依赖于传统的共晶Al-Si铸造合金。然而，通过SLM制备的Al-Si合金的力学性能并不具备竞争优势，限制了其应用范围，尤其是在需要高强度的场合。因此，若能通过SLM成功制造这类高强度铝合金，将为航空航天和电动汽车应用中电动汽车应用中承受机械载荷的部件制备提供理想选择。然而，此类高强度铝合金的SLM仍然非常复杂，因为它们由于其宽的凝固温度区间而易产生液化裂纹。

具体而言，可时效硬化的Al7000系列合金因其高的比强度和优异的时效硬化能力而对严苛应用颇具吸引力。为了缓解前述的液化开裂问题，已有研究尝试通过调整成分或定制打印工艺来实现。现已证实，添加Si、Sc、Zr或ZrH2可以使得无裂纹的Al7000系列合金的打印成为可能。尽管如此，其力学性能与传统方法制造的同类材料相比仍不具备竞争力。造成这种差异的部分原因是无法获得低孔隙率的无裂纹样品，而这二者均是良好力学性能的先决条件。更重要的是，对于SLM过程中及后续热处理期间潜在的微观组织形成机制认识不足，阻碍了为其量身定制以获得更好力学性能，从而阻止了此类SLM制造的铝合金在苛刻应用中的突破。

在此，南方科技大学联合德国马普所、新加坡制造技术研究院团队通过揭示这些性能背后可调控的微观组织特征，展示了成功制造具有高力学强度和优良塑性的AlZnMgCuScZr合金。表征直达原子尺度，揭示了以下特征：该材料包含多模式晶粒结构和复杂的分级相形态。它由初生Al3(Scx,Zr1-x)粒子组成，这些粒子充当了超细晶粒的形核剂，防止了裂纹的形成。实现了高达 647 ± 6 MPa 的屈服强度，以及11.6% ± 1.5% 的良好塑性。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019

主要附图

图1. (a) 粉末的典型形貌及粒度分布图（插图）。(b) SLM加工AlZnMgCuScZr合金的X射线CT图像和(c) 三维EBSD IPF图。(d, e) 更高放大倍数下从顶面和侧面观察到的EBSD IPF图像显示了不均匀的晶粒分布。(f) EBSD IPF图揭示了超细晶的存在。(g) 显示SLM加工AlZnMgCuScZr合金侧面形貌的SEM图像。(g1)–(g3) 分别显示了CCGs、MEGs和UFGs。EBSD：电子背散射衍射；IPF：反极图；UFG：超细晶；MEG：中等尺寸等轴晶；CCG：粗大柱状晶。

图2. 沉积态AlZnMgCuScZr合金中的析出相。(a,b) 分别展示了UFGs和CCGs的HAADF-STEM图像和STEM-EDS元素面分布图。(c) I相的高倍图像及(c1)其对应的选区电子衍射谱。(d) 在Al基体/L12-Al3(Scx,Zr1-x)界面处采集的高分辨率HAADF-STEM图像。

图3. SLM制备AlZnMgCuScZr合金经过STA处理后的析出相演变。(a) 和 (b) 分别是金属间化合物的HAADF-STEM图像及对应的STEM-EDS元素面分布图。(c-e) 分别是Ω相、ω相和S相的STEM-EDS元素面分布图。(c1-e1) 分别是Ω相沿<110>晶带轴、ω相沿<010>晶带轴以及S相沿<001>晶带轴的相应高分辨HAADF-STEM图像和快速傅里叶变换图案。

图4. 不同热处理后AlZnMgCuScZr合金中析出相的形成。(a–c) 低倍HAADF-STEM图像显示了L12和η′析出相的分布。(d) 热处理后L12结构粒子的尺寸分布。(e) 二次L12结构和η′析出相分布的STEM-EDS面分布图。(f) STA 465 °C/60 min样品中η′析出相沿<011>晶带轴的高分辨HAADF-STEM图像。(g) 在一个包含η′析出相的典型针尖中铝合金的三维APT图。(h和i) 分别是η′和二次(Al,Zn)3(Sc9Zr)析出相的对应一维邻近直方图。

图5. (a) SLM制备AlZnMgCuScZr合金在沉积态及不同热处理条件下的工程应力-应变曲线。(b) 各种铝合金的屈服强度和断裂伸长率汇总图。参比材料包括了其他相关研究中的数据。

图6. 经STA 465 °C/60 min处理的AlZnMgCuScZr合金的变形微观组织。(a) ECCI和(b) STEM图像显示了S相和ω相在变形作用下发生破碎的情况。(c) HAADF-和(d) LAADF-STEM图像显示了沿<110>晶带轴的变形结构。(e)和(f)分别是(c)和(d)图中选定区域的放大图，通过HAADF和LAADF分别展示了析出相和位错的分布。

主要结论

（1）沉积态合金呈现多模式微观组织，包括熔池边界处的超细晶，以及朝向熔池中心的的中等尺寸等轴晶和粗大柱状晶。富Mg、Zn和Cu的准晶体弥散分布在晶粒内部，并沿着粗大柱状晶和超细晶的晶界排列成花丝骨架结构。在粗大柱状晶和超细晶内部均发现了包含富Mg、Zn、Cu准晶体和富Al-Sc-Zr粒子在内的复合结构。

（2）经过固溶处理和时效处理后，SLM制备的AlZnMgCuScZr合金展现出一个纳米析出相层级，其中包括Ώ相等。

（3）通过平衡包括晶粒尺寸等在内的分级结构特征，使得SLM制备的AlZnMgCuScZr合金的微观组织和力学性能可通过热处理进行调整。通过较低温度和较短时间的固溶处理所导致的晶粒和二次(Al,Zn)3(Sc9Zr)粒子的粗化程度减弱，可以弥补富Mg、Zn、Cu准晶体不完全溶解的影响，从而提高屈服强度。

（4）SLM制备的AlZnMgCuScZr合金实现了强度和塑性的优异结合。其647 MPa的屈服强度是迄今报道的SLM制备铝合金中最高的，同时保持了11.6%的延伸率。SLM制备铝合金的高强度可以通过晶界强化以及来自η′析出相和(Al,Zn)3(Sc9Zr)粒子的双重纳米析出相强化来解释。

作者简介

逯文君，南方科技大学副教授/研究员（博/硕士生导师，独立PI），2020年加入南方科技大学机械与能源工程系。以6年时间在英国帝国理工材料科学与工程系完成本、博连读。博士毕业后获德国马普协会基金资助，赴德国马克斯普朗克钢铁研究所材料设计与高级表征部门进行博士后研究，合作导师Dierk Raabe院士与Gerhard Dehm教授。主要研究方向包括金属材料的设计、制备、加工以及力学性能调控、金属氢脆与腐蚀、晶界工程与相变、增材制造、高温合金、轻质合金、原位透射电镜（力、热、电、磁、气体与液体环境）、球差纠正扫描透射电子显微镜（STEM）及相关成像技术、联合电镜表征技术（透射电镜/三维原子探针/超低温聚焦离子束）等。逯文君博士在国际金属材料领域提出双相相变、纳米位错胞、双析出、纳米残余奥氏体、纳米层状结构、超低温抑制氢化物生成技术等创新理念，为新型高性能合金的设计研发提供了新思路和新方法；共发表SCI论文80余篇，包括Nature Materials 1篇、Advanced Materials 3篇、Materials Today 3篇、Nature Communications 6篇、Science Advances 1篇、Advanced Functional Materials 1篇、Physical Review Letters 1篇、Acta Materialia 12篇、Scripta Materialia 6篇等，其中第一或通讯作者论文30余篇，谷歌学术总引用超2000，h指数26；主持国家自然科学基金委、深圳市科创委、松山湖材料实验室开放课题等项目；在第四届中德“大数据时代的球差矫正和原位电子显微学与谱学研讨会”、新材料国际发展趋势高层论坛等国际学术会议上做特邀报告多次，并获新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖（2021）；被评为Journal of Alloys and Compounds杂志杰出审稿人；受邀担任《Advanced Powder Materials》《中国有色金属学报》、《粉末冶金材料科学与工程》及《钢铁研究学报》期刊青年编委；入选全球前2%顶尖科学家名单；获英国TATA钢铁集团博士奖学金及德国马普协会奖学金。

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