商用鑄造和鍛造鋁合金在高于200 ℃的條件下容易發生析出相的粗化或溶解，因而不適用于高溫環境應用。激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術為設計具有優異高溫性能的新型鋁合金提供了新方法，LPBF具有極快的冷卻速度（105~107 ℃/s），有助于防止合金元素的擴散和有害金屬間化合物的形成。因此，采用LPBF技術可以在鋁合金中引入大量的耐粗化第二相，提升高溫環境下的機械強度。

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來自華中科技大學和華南理工大學的研究團隊在前期的研究工作中，已經開發出了一種適用于LPBF增材制造技術的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金，在室溫下展現出了優異的拉伸性能。近日，該研究團隊在在Materials Research Letters期刊中發表了題為“Achieving superior high-temperature mechanical properties in Al-Cu-Li-Sc-Zr alloy with nano-scale microstructure via laser additive manufacturing”的研究論文。本期谷.專欄將對該論文的研究重點進行分享。

該文重點研究了這種新型合金的高溫力學性能，并闡明其與晶粒及析出相的熱穩定性之間的關系。與其他LPBF增材制造技術制備的鋁合金相比，Al-Cu-Li-Sc-Zr合金在200 ℃ ~ 300 ℃的范圍內具有更高的屈服強度和延伸率。研究結果有助于更深入地理解LPBF制備的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金在高溫環境下的特性，從而推動適用于高溫應用場景的新型鋁合金的設計進程。

 圖文概要

圖1.LPBF制備Al-Cu-Li-Sc-Zr合金的沉積態（AF）和熱處理后（HT）試樣的力學性能：（a，b）AF和HT試樣不同測試溫度下的拉伸曲線；（c，d）與其他 LPBF制備鋁合金的高溫性能對比。

圖2.AF（a ~ d）和HT（e ~ f）試樣的EBSD結果：（a，e）晶粒取向圖；（b，f）極圖；（c，g）等軸晶的晶粒尺寸統計圖；（d，h）柱狀晶的晶粒尺寸統計圖。

圖3.TEM-EDS圖：（a）AF試樣的等軸晶區域、（b）AF試樣的柱狀晶區域、（c）HT試樣的等軸晶區域、（d）HT試樣的柱狀晶區域；（e）析出相尺寸統計圖；AF試樣等軸晶區域的EBSD-TKD結果：（f）相圖和（g）晶粒取向圖。

圖4.不同溫度下銅、鈧、鋯、鎂、硅和鋅在鋁中的擴散系數。

作者利用EBSD和TEM對LPBF制備Al-Cu-Li-Sc-Zr合金的沉積態（AF）和熱處理后（HT）試樣進行了詳細的表征。EBSD的結果顯示，合金在高溫熱處理后并未發生明顯的晶粒粗化。TEM的結果則顯示，位于HT試樣等軸晶和柱狀晶晶界處的析出相平均尺寸僅比AF試樣內的平均尺寸增大約8%和5%。晶界析出相的輕微粗化導致HT試樣的高溫屈服強度略低于AF試樣。然而，值得注意的是，屈服強度的降低幅度相對較小，這要歸功于合金內部析出相的顯著耐粗化能力。這種耐粗化能力的核心原因在于銅、鈧、鋯元素在鋁中的擴散系數較低。在高溫條件下，HT試樣的延伸率增加可以用超塑性來解釋。超塑性是多晶材料中觀察到的一種獨特現象，在特定的溫度和應變速率條件下，材料的延伸率會顯著增長。超塑性的程度與析出相的體積分數呈正相關。由于HT試樣中有大量的第二相析出，因此HT試樣的高溫延伸率優于AF試樣。

 總結

LPBF增材制造工藝制備的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金之所以展現出優異的高溫拉伸性能，主要由于合金具有優異的抗晶粒粗化能力和析出相熱穩定性。前者得益于晶界處析出相的富集效應，提供了出色的晶界釘扎效應；后者得益于合金元素的擴散速率受到限制。研究結果有助于推進用于高溫應用的增材制造鋁合金設計與制備。

論文信息：

Yang Qi, Hu Zhang*, XuYang, Yilong Wang, Changjun Han*, Wei Fan, Jiawei Liang & Haihong Zhu(2024) Achieving superior high-temperature mechanical properties in Al-Cu-Li-Sc-Zr alloy with nano-scale microstructure via laser additive manufacturing, 12:1, 17-25.https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2285388)

(責任編輯：admin)

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