洞察
“添加合金元素可以实现共晶铝合金的增材制造，原因包括可以提供异质形核点以细化晶粒，降低熔化温度以改善合金流动性，形成稳定相以提高热稳定性，改变应力分布以降低裂纹敏感性，促进相的析出以优化微观结构等等。”
第一作者：文涛
通讯作者：杨海林 汪建英
通讯单位：中南大学粉末冶金研究院
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.009
01 全文速览
针对激光粉末床熔融成形铝合金存在热裂纹、力学性能不佳等共性问题，开发出一种新型无裂纹、高强Al-Mg2Si系共晶合金。通过精准调控Mg2Si含量实现裂纹抑制和强度提升。其中Al-9Mg2Si合金实现强度和延伸率良好协同，其屈服强度为397 MPa，极限抗拉强度为482 MPa延伸率为7.3%。本研究为增材制造高强铝合金裂纹抑制提供一种创新策略。
02 背景介绍
铝合金因其高比强度和轻量化特性，在LPBF应用领域引起了广泛的关注。共晶Al-Si系合金作为少数可打印的传统铝合金之一，极限抗拉强度一般不超过500 MPa，无法满足航空航天高性能铝合金的战略需求。此外，专门针对LPBF工艺设计了Sc/Zr改性Al-Mg和Al-Mn合金，它们具有优异的综合拉伸性能，极限抗拉强度高于500 MPa，伸长率超过10%。然而，稀土元素的高成本限制其实现大规模的工业应用。近些年来许多研究集中在传统商业锻造高强铝合金，如2xxx（Al-Cu）、6xxx（Al-Mg-Si）和7xxx（Al-Zn-Mg-Cu）等。但是这些合金由于凝固范围大和形成粗大的定向柱状晶粒等特性在打印过程中出现严重的热裂问题。因此，开发一种低成本、易成形的高强铝合金至关重要。
03 本文亮点
(1) 开发了一种低成本、无裂纹、高致密的高强Al-Mg2Si共晶合金，解决传统高强铝合金易开裂和力学性能不佳等问题。
(2) 提出裂纹敏感性降低、共晶Mg2Si优异的液体填充以及晶粒和共晶胞状组织细化效应三重协同抗裂机制。
(3) 实现由微米级α-Al晶粒、亚微米共晶Al/Mg2Si胞状组织和过饱和固溶体的多尺度微结构协同增强的高强共晶Al-Mg2Si合金。
04 图文解析
通过调控Mg2Si含量可显著影响LPBF成形Al-Mg2Si合金的微观组织演变。微观组织呈现典型的高强铝合金LPBF成形特征：试样内部存在明显热裂纹，晶粒形貌以粗大柱状晶为主，这与传统2xxx、6xxx及7xxx系铝合金的成形特性一致。此时Mg2Si以弥散颗粒形式均匀分布于α-Al基体中。随着Mg2Si含量的增加，热裂纹缺陷得到有效抑制，晶粒形貌由单一粗大柱状晶逐步转变为细小的柱状晶与等轴晶混合结构。进一步分析发现，共晶Mg2Si相分布方式呈现梯度演变特征：在Al-6Mg2Si合金中，由离散Mg2Si颗粒转变为柱状共晶Al/Mg2Si胞状组织，平均尺寸为0.91 μm；Al-9Mg2Si和Al-12Mg2Si合金中则进一步转变成等轴共晶Al/Mg2Si胞状组织，平均尺寸分布降至0.62 μm和0.53 μm。此外共晶Mg2Si与α-Al基体有良好的共格关系，有助于强度的提高，如图1-4所示。
图1 Al-Mg2Si合金的典型熔池微观组织结构: (a、e、i) Al-3Mg2Si，(b、f、j)Al-6Mg2Si，(c、g、k) Al-9Mg2Si，(d、h、l) L-PBFed Al-12Mg2Si合金
图2 EBSD图像显示沿构建方向的反极图(IPF)、晶粒尺寸分布、极图(PF)和平均取向偏差 (KAM)图：(a、e、i、m) Al-3Mg2Si，(b、f、j、n) Al-6Mg2Si，(c、g、k、o) Al-9Mg2Si,(d、h、l、p) Al-12Mg2Si合金
图3 Al-3Mg2Si合金的TEM和EDS图
图3 特征共晶胞状组织结构：(a) Al-6Mg2Si，(b) Al-9Mg2Si，(c) Al-12Mg2Si合金，以及(d，d1-b5) Al-9Mg2Si合金的EDS图
图4 α-Al/Mg2Si和α-Al/α-AlFeMnSi界面关系
LPBF成形Al-Mg2Si合金的裂纹抑制机制主要源于以下几个方面，如图6-8所示：
（1）凝固特性优化降低裂纹敏感性：基于Scheil-Gulliver和Kou模型可知，随着Mg2Si的增加，凝固区间和裂纹敏感因子（CSI）显著降低，这种凝固行为的优化有效降低合金开裂倾向降低，说明调控Mg2Si含量有利于Al-Mg2Si合金的成形性提升。
（2）晶粒细化抑制裂纹：Mg2Si含量增加促进了晶粒由粗大柱状晶向细小柱状晶和等轴晶的混合结果转变。与柱状晶粒相比，等轴晶粒更容易容纳热应力，并提供更曲折的裂纹路径，从而防止相邻晶粒间的裂纹产生，抑制裂纹扩展。同时，在形成的共晶Al/Mg2Si胞状组织具有很强的适应热应力和提高抗裂性的能力。
（3）共晶填充抑制裂纹：Al-Mg2Si合金体系具有较低的动态粘度特性，这种特性显著增强了熔体在凝固过程中的流动性。此外共晶Mg2Si优异的填充能力有利于补充晶界和清除相邻晶粒间不稳定的液膜，从而消除凝固过程中收缩引起的晶间裂纹。
图5 (a) Al-Mg2Si合金的平衡相图，(b) Al-3Mg2Si，(c) Al-6Mg2Si，(d) Al-9Mg2Si，(e) Al-12Mg2Si合金的凝固路径
图6 Al-Mg2Si合金的(a) T-fs1/2曲线和(b) CSI值，(c) 使用Scheil-Gulliver模型计算的AA2204、AA6061、AlSi10Mg和Al-Mg2Si合金的液体粘度曲线，(d) Mg2Si共晶开始形成时的fs值
图7 裂纹产生和抑制机制示意图：（a-d）共晶填充，（e-h）晶粒细化
Al-Mg2Si合金的拉伸应力-应变曲线如图8（a）所示，具有裂纹的Al-3Mg2Si合金几乎没有承载能力，其极限抗拉强度仅为45 MPa，延伸率为0.4%。随着Mg2Si含量的增加，其力学性能得到显著提高。Al-6Mg2Si合金的屈服强度和极限抗拉强度分别提高到363 MPa 和436 MPa，延伸率提高到9.3%。Al-9Mg2Si合金力学性能进一步增加，其屈服强度、极限抗拉强度和延伸率分别为397 MPa、482 MPa和7.3 %。Al-12Mg2Si合金的延伸率降低至5.4%，极限抗拉强度却高达523 MPa。与其他增材制造铝合金相比，如LPBF成形和经过T6处理后的Al-Si-(Mg)合金、Al-Mg-Sc-Zr合金、2xxx + Ti/Zr合金和7xxx + Si/Zr/TiB2合金，Al-Mg2Si合金表现出了具有竞争力的力学性能，如图8（b）所示。可以看出Al-Mg2Si合金展现出远超Al-Si-(Mg)合金的力学性能。同时也展现出与Al-Mg-Sc-Zr合金、2xxx + Ti/Zr合金和7xxx + Si/Zr/TiB2合金相当或者更高的力学性能。进一步对合金的强化机制进行分析，共晶Al/Mg2Si胞状组织结构和位错的相互作用是强度提高的主要原因，其次细化的α-Al晶粒和固溶的Mg、Si元素也是强度提高的原因之一。
图8 (a) LPBF成形Al-Mg2Si合金的拉伸应力-应变曲线，(b) LPBF成形Al-Mg2Si合金与其他LPBF成形合金的力学性能比较
图9 (a) LPBF成形Al-Mg2Si合金屈服强度的计算值与实验测量值的比较，(b) 微观结构特征的示意图
05 总结与展望
本文主要针对增材制造传统高强铝合金热裂纹、力学性能不佳等共性问题，开发一种适用于LPBF成形低成本、无裂纹、高致密的高强Al-Mg2Si共晶合金。这项工作为高强铝合金的成分和强韧化设计提供理论指导，此外这种共晶合金设计策略实现合金形性协同的方法具有工业化应用潜力。
06 作者介绍
杨海林，中南大学粉末冶金国家重点实验室教授，博士生导师。曾任布鲁内尔大学（Brunel University London）Research fellow（研究员）。主持国家自然科学基金，国家重点研发计划子课题等项目，发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯作者90余篇，主要包括Acta Materialia, Composites Part B, Virtual and Physical Prototyping, Scripta Materilia, Journal of Materials Science and Technology等；授权专利10余件。担任国际著名学术期刊Acta Materialia, Composites Part B, Virtual and Physical Prototyping, Scripta Materilia, Corrosion Science等期刊的长期审稿人，同时兼任中国有色金属学会会员、中国生物材料学会会员；获2018年度第十五届湖南医学科技三等奖；2020年江苏省科技镇长团省级优秀团员等荣誉称号；入选2022年扬州市“绿扬金凤计划”领军人才；扬州市新型电力装备产业产才对接专家成员。
文涛，中南大学博士研究生，主要从事激光增材制造高强铝合金多组分优化研究，以第一作者在Journal of Materials Science and Technology，Virtual and Physical Prototyping，Materials Science and Engineering: A，Journal of Materials Research and Technology等期刊发表SCI论文9篇，授权国家发明专利2项。
07 引用本文
Tao Wen, Zhicheng Li, Jianying Wang, Yimou Luo, Feipeng Yang, Zhilin Liu, Dong Qiu, Hailin Yang, Shouxun Ji, From crack-prone to crack-free: Eliminating cracks in additively manufacturing of high-strength Mg2Si-modified Al-Mg-Si alloys, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2025) 276-291.
来源
材料科学和技术 l
中南大学杨海林教授课题组JMST：从易开裂到无裂纹：增材制造高强Mg2Si改性Al-Mg-Si合金裂纹抑制机制
l 谷专栏 l
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