增材制造铝合金Al-Cu-Li-Sc-Zr，具有纳米尺度结构和优异高温力学性能

|3DScienceValley· 2023/12/24

谷专栏

以下文章来源于Materials Research Letters ，作者MRL

商用铸造和锻造铝合金在高于200 ℃的条件下容易发生析出相的粗化或溶解，因而不适用于高温环境应用。激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术为设计具有优异高温性能的新型铝合金提供了新方法，LPBF具有极快的冷却速度（105~107 ℃/s），有助于防止合金元素的扩散和有害金属间化合物的形成。因此，采用LPBF技术可以在铝合金中引入大量的耐粗化第二相，提升高温环境下的机械强度。

来自华中科技大学和华南理工大学的研究团队在前期的研究工作中，已经开发出了一种适用于LPBF增材制造技术的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金，在室温下展现出了优异的拉伸性能。近日，该研究团队在在Materials Research Letters期刊中发表了题为“Achieving superior high-temperature mechanical properties in Al-Cu-Li-Sc-Zr alloy with nano-scale microstructure via laser additive manufacturing”的研究论文。本期谷.专栏将对该论文的研究重点进行分享。

该文重点研究了这种新型合金的高温力学性能，并阐明其与晶粒及析出相的热稳定性之间的关系。与其他LPBF增材制造技术制备的铝合金相比，Al-Cu-Li-Sc-Zr合金在200 ℃ ~ 300 ℃的范围内具有更高的屈服强度和延伸率。研究结果有助于更深入地理解LPBF制备的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金在高温环境下的特性，从而推动适用于高温应用场景的新型铝合金的设计进程。

图文概要

图1.LPBF制备Al-Cu-Li-Sc-Zr合金的沉积态（AF）和热处理后（HT）试样的力学性能：（a，b）AF和HT试样不同测试温度下的拉伸曲线；（c，d）与其他 LPBF制备铝合金的高温性能对比。

图2.AF（a ~ d）和HT（e ~ f）试样的EBSD结果：（a，e）晶粒取向图；（b，f）极图；（c，g）等轴晶的晶粒尺寸统计图；（d，h）柱状晶的晶粒尺寸统计图。

图3.TEM-EDS图：（a）AF试样的等轴晶区域、（b）AF试样的柱状晶区域、（c）HT试样的等轴晶区域、（d）HT试样的柱状晶区域；（e）析出相尺寸统计图；AF试样等轴晶区域的EBSD-TKD结果：（f）相图和（g）晶粒取向图。

图4.不同温度下铜、钪、锆、镁、硅和锌在铝中的扩散系数。

作者利用EBSD和TEM对LPBF制备Al-Cu-Li-Sc-Zr合金的沉积态（AF）和热处理后（HT）试样进行了详细的表征。EBSD的结果显示，合金在高温热处理后并未发生明显的晶粒粗化。TEM的结果则显示，位于HT试样等轴晶和柱状晶晶界处的析出相平均尺寸仅比AF试样内的平均尺寸增大约8%和5%。晶界析出相的轻微粗化导致HT试样的高温屈服强度略低于AF试样。然而，值得注意的是，屈服强度的降低幅度相对较小，这要归功于合金内部析出相的显著耐粗化能力。这种耐粗化能力的核心原因在于铜、钪、锆元素在铝中的扩散系数较低。在高温条件下，HT试样的延伸率增加可以用超塑性来解释。超塑性是多晶材料中观察到的一种独特现象，在特定的温度和应变速率条件下，材料的延伸率会显著增长。超塑性的程度与析出相的体积分数呈正相关。由于HT试样中有大量的第二相析出，因此HT试样的高温延伸率优于AF试样。

总结

LPBF增材制造工艺制备的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金之所以展现出优异的高温拉伸性能，主要由于合金具有优异的抗晶粒粗化能力和析出相热稳定性。前者得益于晶界处析出相的富集效应，提供了出色的晶界钉扎效应；后者得益于合金元素的扩散速率受到限制。研究结果有助于推进用于高温应用的增材制造铝合金设计与制备。

论文信息：

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)