高強(qiáng)鋁合金由于優(yōu)秀的比強(qiáng)度已成為商用和軍用飛機(jī)主要的結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于大多數(shù)對(duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用，高強(qiáng)度和高韌性是對(duì)結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵要求。然而，強(qiáng)度和韌性通常相互排斥，韌性會(huì)隨著強(qiáng)度的提高而降低，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者可以安全使用的高強(qiáng)度鋁合金的屈服強(qiáng)度受到限制。

近期，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授課題組開發(fā)了一種采用SLM技術(shù)3D打印的Sc/Zr改性Al-Mg和Al-Mn基合金，具有良好的強(qiáng)度和韌性組合，實(shí)現(xiàn)了與高強(qiáng)度7xxx鍛造鋁合金相當(dāng)?shù)母咔?qiáng)度，為制造高強(qiáng)、高韌鋁合金提供了一種有效的策略。

激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

通常，斷裂韌性與裂紋尖端和局部微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用有關(guān)。特別地，采用SLM技術(shù)3D打印的Al-Mg（Mn）-Sc-Zr合金不僅具有超細(xì)第二相顆粒，而且在整個(gè)熔池中還存在明顯的的非均相α-Al基體組織（混合了等軸晶和柱狀晶）。此外，激光軌跡的重疊進(jìn)一步在宏觀尺度上產(chǎn)生了空間非均勻的微結(jié)構(gòu)。因此，其斷裂韌性與裂紋尖端以及超細(xì)非均勻微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用有關(guān)。

本研究中的Al-Mg-Sc-Zr粉末采用真空感應(yīng)氣體霧化(VIGA)工藝制備，粉末化學(xué)成分為Al-4.66Mg-0.48Mn-0.72Sc-0.33Zr-0.12Fe-0.03Si(wt.%)，并使用EOS M280 3D打印機(jī)制造。采用優(yōu)化的工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)高于99.4%的致密度，打印完的樣品在325°C下直接時(shí)效4小時(shí)（峰值時(shí)效），以引入二次Al3(Sc,Zr)析出物實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化。

以往有研究發(fā)現(xiàn)，采用SLM技術(shù)打印的Al-3Mg-0.2Sc-0.1Zr(wt.%)合金由柱狀晶粒構(gòu)成。而在本研究中，由于提高了Sc、Zr的含量，獲得了由細(xì)晶粒和粗晶粒交替組成的非均勻晶粒組織。在熔池尺度上，顯微組織由熔合邊界處的等軸晶帶和熔池內(nèi)部的扇形柱狀晶區(qū)組成，異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的起源歸因于整個(gè)熔池中初級(jí)Al3(Sc,Zr)相（有效的成核位點(diǎn)）的不均勻沉淀。由于原生Al3的富集(Sc,Zr)顆粒和高冷卻速率，等軸晶粒帶中的晶粒被顯著細(xì)化為超細(xì)晶粒(0.1–1μm)，其比鑄態(tài)Al-0.7Sc合金（25±2.7-70±4.6μm)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鍛造鋁合金通常包含三種類型的第二相顆粒：在凝固過程中形成的粗顆粒（直徑約1-10μm）；在鑄錠均勻化過程中形成的中間彌散體（直徑約0.1μm）；以及在時(shí)效過程中形成的納米級(jí)沉淀物實(shí)現(xiàn)了沉淀強(qiáng)化。與傳統(tǒng)鍛造鋁合金相比，SLM加工的Al-Mg-Sc-Zr合金中第二相顆粒特征的關(guān)鍵區(qū)別在于成分顆粒的顯著細(xì)化。由于熔池凝固過程中的高冷卻速度，組成顆粒的尺寸被超細(xì)化至50-200nm，體積分?jǐn)?shù)約為1%。因此，直接時(shí)效后合金的成分和彌散顆粒很難區(qū)分。在直接時(shí)效過程中，在α-Al基體中形成了納米級(jí)（半徑約2nm）的二次Al3(Sc,Zr)析出物。

由于缺乏與晶粒超細(xì)化相關(guān)的位錯(cuò)積累，該合金在拉伸試驗(yàn)期間表現(xiàn)出較低的屈服伸長(zhǎng)率和整體應(yīng)變硬化能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，該合金的抗拉強(qiáng)度各向異性較低，而延展性體現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)。將SLM 加工的Al-Mg-Sc-Zr 合金的強(qiáng)度和韌性與傳統(tǒng)的2xxx、7xxx 和Al-Li 鍛造鋁合金進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有良好的強(qiáng)度和韌性組合，性能堪比7075-T651高強(qiáng)鍛造鋁合金。

所開發(fā)的鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線及其與傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)韌性比較

從斷裂力學(xué)的角度來看，金屬基材料的斷裂過程可以看作是內(nèi)在損傷/增韌和外在增韌過程的綜合結(jié)果。內(nèi)在損傷取決于微觀結(jié)構(gòu)的特征，一般涉及裂紋尖端前塑性區(qū)第二相粒子的開裂或脫粘以及基體相的晶間或穿晶斷裂等過程，內(nèi)在增韌機(jī)制阻礙了可能的損害行為。相比之下，外部增韌機(jī)制如裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋從I型方向分叉，通常會(huì)導(dǎo)致I型裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的損失。

據(jù)報(bào)道，鋁基合金的固有損傷過程取決于多尺度第二相粒子的特性。通常，納米析出物在很大程度上控制了滑移和變形行為，并間接影響合金的斷裂韌性。組成顆粒和分散體通過影響空隙的成核、生長(zhǎng)和聚結(jié)直接影響斷裂韌性。當(dāng)基體塑性變形時(shí)，大的組成顆粒很容易開裂，而中間彌散體具有較強(qiáng)的抗裂紋能力。

總之，對(duì)于SLM處理的Al-Mg-Sc-Zr合金，由于熔池凝固過程中初生Al3 (Sc,Zr) 相的高冷卻速率和不均勻析出，在合金中獲得了超細(xì)且非均質(zhì)的顯微組織。成分顆粒的超細(xì)化促進(jìn)了內(nèi)在增韌，而非均質(zhì) α-Al 基體微觀結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了外在增韌機(jī)制，如裂紋偏轉(zhuǎn)或分支等。盡管由于二次Al 3 (Sc,Zr) 納米析出物導(dǎo)致的有序平面滑移導(dǎo)致脆性裂紋，但斷裂韌性通過與超細(xì)和異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的多種內(nèi)在/外在增韌機(jī)制得到有效改善。這項(xiàng)研究展示了一種制造高強(qiáng)度和高韌性鋁基合金的新策略。