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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教授團隊和新加坡先進制造技術研究院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）技術制備的兼具高強度、高韌性的鋁合金材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過SLM技術與適當?shù)臒崽幚砉に嚳纱偈逛X合金同時具備晶粒多峰異質(zhì)結構及雙析出相納米結構，并以此優(yōu)化材料力學性能（屈服強度～647 MPa和斷裂韌性～11.6%），使其成為迄今為止選區(qū)激光熔化綜合性能最為優(yōu)異的7000系鋁合金材料。該類高強韌鋁合金的成功研發(fā)為SLM技術在鋁合金裝備制造領域的推廣提供了新途徑。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019
SLM制備技術通常可應用于高附加值復雜部件的快速制造（如航空航天和電動汽車應用的裝載零件，其材料大多基于可焊接合金類型）。然而，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高效制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術難點。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構影響機理尚不清楚，極大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構進行調(diào)控，得到了能同時擁有晶粒多峰異質(zhì)結構與雙析出相結構的微觀組織，并最終優(yōu)化其綜合力學性能。通過球差掃描透射電鏡與原位電鏡技術對材料在不同溫度下的微觀組織變化進行細致表征，發(fā)現(xiàn)除了可用于晶粒細化（生成晶粒多峰異質(zhì)結構）及防止裂紋生成的Al3(Sc,Zr)先析出相外，富含Mg、Zn和Cu的亞穩(wěn)準晶相也可在晶界上大量析出。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)雙析出相納米結構。相關研究成果以題:Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation發(fā)表在國際高水平期刊Materials Today上。
新加坡先進制造技術研究院朱志光博士為論文第一作者，南方科技大學逯文君教授與新加坡制造技術學院Sharon Mui Ling Nai博士為論文共同通訊作者，南方科技大學與新加坡制造技術學院為共同通訊單位。該工作獲得新加坡A*STAR結構金屬項目、深圳市科技計劃項目、南方科技大學測試中心的資助與支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019
SLM制備技術通常可應用于高附加值復雜部件的快速制造（如航空航天和電動汽車應用的裝載零件，其材料大多基于可焊接合金類型）。然而，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高效制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術難點。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構影響機理尚不清楚，極大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構進行調(diào)控，得到了能同時擁有晶粒多峰異質(zhì)結構與雙析出相結構的微觀組織，并最終優(yōu)化其綜合力學性能。通過球差掃描透射電鏡與原位電鏡技術對材料在不同溫度下的微觀組織變化進行細致表征，發(fā)現(xiàn)除了可用于晶粒細化（生成晶粒多峰異質(zhì)結構）及防止裂紋生成的Al3(Sc,Zr)先析出相外，富含Mg、Zn和Cu的亞穩(wěn)準晶相也可在晶界上大量析出。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)雙析出相納米結構。相關研究成果以題:Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation發(fā)表在國際高水平期刊Materials Today上。
圖1.（a）SLM制備技術簡化圖和（b）不同熱處理工藝條件下的鋁合金微觀組織結構變化圖。
圖2.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。針對打印態(tài)與退火態(tài)的鋁合金材料微觀組織結構的電鏡分析圖。
圖3.STEM模式下的原位加熱表征圖：準晶相的溶解機制及第二相的析出機制。
新加坡先進制造技術研究院朱志光博士為論文第一作者，南方科技大學逯文君教授與新加坡制造技術學院Sharon Mui Ling Nai博士為論文共同通訊作者，南方科技大學與新加坡制造技術學院為共同通訊單位。該工作獲得新加坡A*STAR結構金屬項目、深圳市科技計劃項目、南方科技大學測試中心的資助與支持。
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