北京科技大學：增材制造具有納米結構強化缺陷的細晶超高強度大塊鋁合金
時間：2024-09-13 14:30 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
導讀：為了響應輕量化設計和碳中和的關鍵需求，北京科技大學黃禹赫等人推出了一種創新的增材制造超細晶Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，通過激光粉末床熔融(L-PBF)增強納米結構平面缺陷，用于要求高強度和卓越延展性的復雜形狀零件。由于l12有序Al3(Sc,
Zr)納米顆粒的不均勻分布，打印合金呈現出具有三模態晶粒分布的分層非均勻組織。在打印合金中有策略地引入了包括層錯、9R相和納米孿晶在內的定制平面缺陷。除了納米級平面缺陷和三模態晶粒分布外，進一步的直接時效處理增加了納米沉淀的豐度，使屈服強度達到656mpa，比迄今為止報道的幾乎所有L-PBFed鋁合金都要高，并且塑性達到7.2%。這項工作為高性能鋁合金部件的近凈成形技術鋪平了道路。
激光粉末床熔融(L-PBF)作為一種典型的金屬增材制造(AM)技術，由于其獨特的能力，以巨大的幾何自由度實現金屬零件的快速制造，現在正在推動無數領域的創新。迄今為止，L-PBF已被用于制造一系列高性能金屬材料，包括鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金和高熵合金。特別是由于各個行業(如航空航天和電動汽車)對超輕設計的需求不斷增長，以及對提高能源效率和減少碳足跡的推動，增材制造的鋁(Al)合金因其卓越的優勢而越來越受歡迎，例如卓越的強度與重量比，良好的耐腐蝕性和豐富的地殼。
然而，目前的高強度鍛造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其高熱裂敏感性，表現出較差的增材制造印刷性能。這種脆弱性是由于L-PBF過程中復雜的熱歷史導致的長凝固溫度范圍和高殘余應力導致的，從而導致較差的力學性能。緩解上述缺點的最有效策略是發展細晶結構，它賦予豐富的晶界(GBs)來破壞凝固過程中產生的應力，從而提高對熱撕裂的抵抗力，從而有效地抑制裂紋。大量GBs的存在也阻礙了位錯的遷移，提高了機械強度。從傳統鑄造工藝中汲取靈感，接種處理，包括引入晶格匹配的核粒(無論是原位形成還是外部添加)，和/或包含以高生長限制因子(即高Q值)為特征的有效溶質，可以執行以觸發實質性的晶粒細化。這種處理往往導致L-PBF過程中的裂紋抑制和晶粒細化，從而產生具有理想力學響應的致密固結材料。近年來，通過加入合金元素(如Ti， Zr， Sc， Nb和Ta)或/和陶瓷顆粒(如TiC， TiN和TiB2)，開發了各種用于L-PBF的高強度鋁合金。另外，我們最近的研究表明，在難以焊接的7075鋁合金的L-PBF中加入Ti-6Al-4V (TC4)和Ti-22Al-25Nb (Ti2AlNb)合金粉末可以獲得無裂紋和接近全密度的細化晶粒的部件。近年來，以Al- mg -Sc- zr和Al- mg - mn -Sc- zr合金為代表的L-PBFed含Sc / zr合金也得到了廣泛關注并取得了一些商業成功，這些合金的顯微組織和力學性能都得到了顯著改善。盡管晶粒細化在這些合金中有有效的強化作用，但在強度和延展性之間取得令人滿意的平衡對新開發的鋁合金提出了重大挑戰。這一挑戰阻礙了L-PBFed鋁合金更廣泛的商業應用。
最近在開發高性能合金方面取得的突破揭示了引入納米級強化平面缺陷(如孿晶界和層錯(SFs))以提高機械性能的變革潛力。這種增強是實現顯著延性的關鍵，因為它有助于分散應變流動。納米級平面晶體缺陷作為晶體塑性的輔助管道，通過提供相互作用和存儲場所，減少移動位錯的平均自由路徑，促進位錯積累，有效擴大位錯的存儲容量，最終實現高強度和塑性的和諧平衡。這一現象已成功應用于以低層錯能(SFE)為特征的高級合金系統中，例如錳鋼和高至中熵或多主元素合金系統[24][25]。然而，由于Al的高SFE值(~ 166 mJ/m2)，將高密度SFs和納米孿晶引入鋁合金的微觀結構設計策略面臨挑戰。理論上，鋁的SFE只能通過合金化特定的溶質元素來微弱調節。不幸的是，大多數這些元素(除了Mg, Ag和Zn)在Al中的溶解度非常有限(見圖S1，補充材料)，這限制了Al中SFE的可調性。通常，鋁合金中的SFs或納米孿晶只在經歷了極端凝固或變形條件的特定微觀結構中被檢測到。如在極快冷卻過程中磁控濺射制備的薄膜Al-Fe過飽和固溶體。對于塊狀鋁合金來說，這些刨床缺陷往往是在劇烈塑性變形后獲得的，以獲得優異的力學性能。因此，采用L-PBF的特征加工路線，將納米孿晶與納米晶相結合，并結合多種強化機制(如GB強化、析出相強化)，可能是將理想的拉伸延展性與超高強度結合在一起的增材制造鋁合金的有希望的途徑。
本文提出了一種利用L-PBF在增材制造高性能鋁合金中引入納米級平面缺陷的有效方法。在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中加入SFs、納米孿晶、9R相和超細晶粒(UFG)，在打印狀態和熱處理狀態下均實現了優異的機械強度-塑性組合。通過調整Mg的含量，黃禹赫等人成功地降低了L-PBFed鋁合金中包含平面強化缺陷的能壘，從而獲得了優異的力學性能。基于edge-to-edge模型(E2EM)定量計算晶體匹配，以指導超細晶組織的形成。經過廣泛納米沉淀的熱處理合金具有優異的屈服強度，高達656mpa，超過了以前報道的通過L-PBF生產的鋁合金的值，同時仍然保持7.2%的中等延展性。這項工作不僅為高性能鋁合金部件的快速成型奠定了堅實的基礎，而且為將類似策略應用于其他合金提供了新的機會。
相關研究成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”發表在Materials Today上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24000877?via%3Dihub
圖一所示。細晶無裂紋Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金L-PBF的理論計算。(a)
FCC-Al和L12-Al3Sc的單元胞示意圖;(b) FCC-Al與L12-Al3Sc原子間失配及面間距失配;(c)
FCC-Al和L12-Al3Zr的單元胞示意圖;(d)
FCC-Al與L12-Al3Zr的原子間失配及面間距失配;(e)計算的Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的Scheil-Gulliver凝固曲線顯示，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金在凝固初期析出約5%(按摩爾分數計算)的成核粒子L12-Al3(Sc,
Zr);(f) Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn- sc - zr合金在L-PBF過程中的快速凝固過程示意圖，顯示了晶粒細化機制和裂紋行為。
圖二所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的非均勻組織。(a) as打印Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD反極(IPF)彩色圖像;(b) Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的晶粒尺寸分布圖和極形圖;(c)打印樣品的亮場TEM表征，顯示三模態晶粒尺寸分布(即UFG, FG和CG);(d, e)晶粒內立方顆粒的高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像及相應的能譜圖;(f)沿h001i Al區軸在a-Al/L12-Al3(Sc, Zr)界面處拍攝的高分辨率TEM (HRTEM)圖像及相應的快速傅里葉變換(FFT)圖;(g-i)不同區域主要元素(Al, Mg, Mn, Sc, Zr)的STEM-EDS圖譜，包括UFG區、UFG + FG區和UFG + FG + CG區。BD:建筑方向。
圖三所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金納米平面缺陷的微觀結構。(a)一個晶粒內孿晶界的代表性TEM圖像;(b)有代表性的HRTEM圖像，顯示納米孿晶和9R相共存;(c)和(d) b中HRTEM圖像的放大，顯示CTB;(e) b中的放大HRTEM圖像顯示納米孿晶和不同的9R相區;(f) 9R相HRTEM圖像。圖解表明9R相由9個{111}原子層組成，其中ABC/BCA/CAB/A…疊層順序;(g) APT測量的原子圖三維重建，顯示了打印鋁合金的晶內化學成分分布(Al, Mg, Mn, Sc, Zr);(h)整個樣品的元素濃度分布圖，附圖顯示Mg元素的等面分析(5 at%)。誤差帶表示平均值的標準偏差。注意，TEM圖像是在h110i Al區軸上拍攝的。
圖四所示。熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的顯微組織表征。(a)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD IPF彩色圖像;(b)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的EBSD - PF圖像和晶粒尺寸分布;(c)熱處理樣品的TEM表征顯示大量析出物;(d) HAADF-STEM圖像和相應的EDS圖，顯示元素的分布;(e) l12有序Al3(Sc, Zr)的HRTEM圖像;(f) d1a有序Al4(Sc,Zr) (Ni4Mo型)的HRTEM圖像和相應的FFT圖像。
圖五所示。l- pbfeal - mg - mn - sc - zr合金的力學性能。(a) L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的典型工程拉伸應力-應變曲線;(b) L-PBFed Al- mg - mn - sc - zr合金與其他L-PBFed鋁合金(包括Al- si合金[53-60]、改性變形合金[8-10、16、17、61-69]和為L-PBF定制的高強度鋁合金[70-79])和常規變形鋁合金(包括2xxx、6xxx和7xxx系列高強度合金[80])的力學性能比較。注意，圖5b中的“+”表示通過機械混合或球磨外部添加的粉末，“-”表示原位形成的顆粒(預合金粉末)。
在本工作中，黃禹赫等人成功地開發了一種通過L-PBF強化平面缺陷的增材制造的細晶高性能Al-Mg-MnSc-Zr納米合金。得出以下結論:
（1）打印后的樣品呈三模態分布，包括MP邊界的UFG區，以及MP中心的FG區和UG區。
（2）在打印過程中，由于降低了SFE和強應力場，高密度的SFs、獨特的9R相和納米孿晶成功地融入到打印合金中。該合金的屈服強度高達461 MPa和a
高伸長率21%。
（3）直接時效導致納米沉淀增強，同時保留了三模態晶粒尺寸分布和納米尺寸的平面缺陷，共同導致屈服強度高達656mpa，中等塑性為7.2%。
總之，這項工作揭示了高性能鋁合金L-PBF的替代途徑，這有利于輕量化設計，降低燃料消耗，并且更小碳足跡，為擴大商業應用奠定基礎。
激光粉末床熔融(L-PBF)作為一種典型的金屬增材制造(AM)技術，由于其獨特的能力，以巨大的幾何自由度實現金屬零件的快速制造，現在正在推動無數領域的創新。迄今為止，L-PBF已被用于制造一系列高性能金屬材料，包括鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金和高熵合金。特別是由于各個行業(如航空航天和電動汽車)對超輕設計的需求不斷增長，以及對提高能源效率和減少碳足跡的推動，增材制造的鋁(Al)合金因其卓越的優勢而越來越受歡迎，例如卓越的強度與重量比，良好的耐腐蝕性和豐富的地殼。
然而，目前的高強度鍛造合金，如2xxx和7xxx系列合金，由于其高熱裂敏感性，表現出較差的增材制造印刷性能。這種脆弱性是由于L-PBF過程中復雜的熱歷史導致的長凝固溫度范圍和高殘余應力導致的，從而導致較差的力學性能。緩解上述缺點的最有效策略是發展細晶結構，它賦予豐富的晶界(GBs)來破壞凝固過程中產生的應力，從而提高對熱撕裂的抵抗力，從而有效地抑制裂紋。大量GBs的存在也阻礙了位錯的遷移，提高了機械強度。從傳統鑄造工藝中汲取靈感，接種處理，包括引入晶格匹配的核粒(無論是原位形成還是外部添加)，和/或包含以高生長限制因子(即高Q值)為特征的有效溶質，可以執行以觸發實質性的晶粒細化。這種處理往往導致L-PBF過程中的裂紋抑制和晶粒細化，從而產生具有理想力學響應的致密固結材料。近年來，通過加入合金元素(如Ti， Zr， Sc， Nb和Ta)或/和陶瓷顆粒(如TiC， TiN和TiB2)，開發了各種用于L-PBF的高強度鋁合金。另外，我們最近的研究表明，在難以焊接的7075鋁合金的L-PBF中加入Ti-6Al-4V (TC4)和Ti-22Al-25Nb (Ti2AlNb)合金粉末可以獲得無裂紋和接近全密度的細化晶粒的部件。近年來，以Al- mg -Sc- zr和Al- mg - mn -Sc- zr合金為代表的L-PBFed含Sc / zr合金也得到了廣泛關注并取得了一些商業成功，這些合金的顯微組織和力學性能都得到了顯著改善。盡管晶粒細化在這些合金中有有效的強化作用，但在強度和延展性之間取得令人滿意的平衡對新開發的鋁合金提出了重大挑戰。這一挑戰阻礙了L-PBFed鋁合金更廣泛的商業應用。
最近在開發高性能合金方面取得的突破揭示了引入納米級強化平面缺陷(如孿晶界和層錯(SFs))以提高機械性能的變革潛力。這種增強是實現顯著延性的關鍵，因為它有助于分散應變流動。納米級平面晶體缺陷作為晶體塑性的輔助管道，通過提供相互作用和存儲場所，減少移動位錯的平均自由路徑，促進位錯積累，有效擴大位錯的存儲容量，最終實現高強度和塑性的和諧平衡。這一現象已成功應用于以低層錯能(SFE)為特征的高級合金系統中，例如錳鋼和高至中熵或多主元素合金系統[24][25]。然而，由于Al的高SFE值(~ 166 mJ/m2)，將高密度SFs和納米孿晶引入鋁合金的微觀結構設計策略面臨挑戰。理論上，鋁的SFE只能通過合金化特定的溶質元素來微弱調節。不幸的是，大多數這些元素(除了Mg, Ag和Zn)在Al中的溶解度非常有限(見圖S1，補充材料)，這限制了Al中SFE的可調性。通常，鋁合金中的SFs或納米孿晶只在經歷了極端凝固或變形條件的特定微觀結構中被檢測到。如在極快冷卻過程中磁控濺射制備的薄膜Al-Fe過飽和固溶體。對于塊狀鋁合金來說，這些刨床缺陷往往是在劇烈塑性變形后獲得的，以獲得優異的力學性能。因此，采用L-PBF的特征加工路線，將納米孿晶與納米晶相結合，并結合多種強化機制(如GB強化、析出相強化)，可能是將理想的拉伸延展性與超高強度結合在一起的增材制造鋁合金的有希望的途徑。
本文提出了一種利用L-PBF在增材制造高性能鋁合金中引入納米級平面缺陷的有效方法。在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中加入SFs、納米孿晶、9R相和超細晶粒(UFG)，在打印狀態和熱處理狀態下均實現了優異的機械強度-塑性組合。通過調整Mg的含量，黃禹赫等人成功地降低了L-PBFed鋁合金中包含平面強化缺陷的能壘，從而獲得了優異的力學性能。基于edge-to-edge模型(E2EM)定量計算晶體匹配，以指導超細晶組織的形成。經過廣泛納米沉淀的熱處理合金具有優異的屈服強度，高達656mpa，超過了以前報道的通過L-PBF生產的鋁合金的值，同時仍然保持7.2%的中等延展性。這項工作不僅為高性能鋁合金部件的快速成型奠定了堅實的基礎，而且為將類似策略應用于其他合金提供了新的機會。
相關研究成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”發表在Materials Today上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 24000877?via%3Dihub
圖二所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的非均勻組織。(a) as打印Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD反極(IPF)彩色圖像;(b) Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的晶粒尺寸分布圖和極形圖;(c)打印樣品的亮場TEM表征，顯示三模態晶粒尺寸分布(即UFG, FG和CG);(d, e)晶粒內立方顆粒的高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像及相應的能譜圖;(f)沿h001i Al區軸在a-Al/L12-Al3(Sc, Zr)界面處拍攝的高分辨率TEM (HRTEM)圖像及相應的快速傅里葉變換(FFT)圖;(g-i)不同區域主要元素(Al, Mg, Mn, Sc, Zr)的STEM-EDS圖譜，包括UFG區、UFG + FG區和UFG + FG + CG區。BD:建筑方向。
圖三所示。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金納米平面缺陷的微觀結構。(a)一個晶粒內孿晶界的代表性TEM圖像;(b)有代表性的HRTEM圖像，顯示納米孿晶和9R相共存;(c)和(d) b中HRTEM圖像的放大，顯示CTB;(e) b中的放大HRTEM圖像顯示納米孿晶和不同的9R相區;(f) 9R相HRTEM圖像。圖解表明9R相由9個{111}原子層組成，其中ABC/BCA/CAB/A…疊層順序;(g) APT測量的原子圖三維重建，顯示了打印鋁合金的晶內化學成分分布(Al, Mg, Mn, Sc, Zr);(h)整個樣品的元素濃度分布圖，附圖顯示Mg元素的等面分析(5 at%)。誤差帶表示平均值的標準偏差。注意，TEM圖像是在h110i Al區軸上拍攝的。
圖四所示。熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的顯微組織表征。(a)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的縱向EBSD IPF彩色圖像;(b)熱處理Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的EBSD - PF圖像和晶粒尺寸分布;(c)熱處理樣品的TEM表征顯示大量析出物;(d) HAADF-STEM圖像和相應的EDS圖，顯示元素的分布;(e) l12有序Al3(Sc, Zr)的HRTEM圖像;(f) d1a有序Al4(Sc,Zr) (Ni4Mo型)的HRTEM圖像和相應的FFT圖像。
圖五所示。l- pbfeal - mg - mn - sc - zr合金的力學性能。(a) L-PBFed Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的典型工程拉伸應力-應變曲線;(b) L-PBFed Al- mg - mn - sc - zr合金與其他L-PBFed鋁合金(包括Al- si合金[53-60]、改性變形合金[8-10、16、17、61-69]和為L-PBF定制的高強度鋁合金[70-79])和常規變形鋁合金(包括2xxx、6xxx和7xxx系列高強度合金[80])的力學性能比較。注意，圖5b中的“+”表示通過機械混合或球磨外部添加的粉末，“-”表示原位形成的顆粒(預合金粉末)。
在本工作中，黃禹赫等人成功地開發了一種通過L-PBF強化平面缺陷的增材制造的細晶高性能Al-Mg-MnSc-Zr納米合金。得出以下結論:
（1）打印后的樣品呈三模態分布，包括MP邊界的UFG區，以及MP中心的FG區和UG區。
（2）在打印過程中，由于降低了SFE和強應力場，高密度的SFs、獨特的9R相和納米孿晶成功地融入到打印合金中。該合金的屈服強度高達461 MPa和a
高伸長率21%。
（3）直接時效導致納米沉淀增強，同時保留了三模態晶粒尺寸分布和納米尺寸的平面缺陷，共同導致屈服強度高達656mpa，中等塑性為7.2%。
總之，這項工作揭示了高性能鋁合金L-PBF的替代途徑，這有利于輕量化設計，降低燃料消耗，并且更小碳足跡，為擴大商業應用奠定基礎。
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