南科大研发新型3D打印高强韧铝合金，强度突破已知极限

近日，南方科技大学机械与能源工程系逯文君助理教授团队、德国马普钢铁所Dierk Raabe教授团队和新加坡先进制造技术研究院Sharon Mui Ling Nai团队在Materials Today联合发表论文，报道了一种通过选择性激光熔化（SLM）和热处理技术制造出的具有前所未有的强度-韧性协同作用的无裂纹7000系铝合金材料。

研究发现，通过SLM+热处理工艺，使AlZnMgCuScZr铝合金的最高强度超过了647Mpa，这是SLM生产的铝合金的最高报告值，同时具有约11.6%的可观延展性。具有可调节分级微观结构的高强度的Al7000系列合金的成功制造为设计和微调SLM工艺生产高机械载荷作用下的铝合金部件铺平了道路。

SLM制备的铝合金在不同热处理工艺下的工程应力-应变曲线图与其他类型的铝合金性能对比图及，针对打印态与退火态的铝合金材料微观组织结构的电镜分析图

铝合金作为工业生产中不可或缺的轻质合金材料却有着较高的激光反射率、较差的铺展性及高的表面氧化性，从而导致了其在SLM制备过程中易产生开裂等问题。其中，时效硬化型高强铝合金如7000系铝合金尤为明显。因此，如何应用SLM高效制备该类铝合金成为了亟需攻克的技术难点。有研究表明，添加Si、Sc、Zr或ZrH2可打印无裂纹的7000系列铝合金。然而，与传统铸造合金相比，通过SLM制备的铝合金的综合力学性能仍然处于较低水平。除此之外，SLM打印参数及后续热处理工艺对铝合金的微观结构影响机理尚不清楚，极大地限制了此类铝合金工程应用范围。

为此，南方科技大学逯文君及其合作者提出了一种适用于SLM工艺的新型铝合金成分设计：AlZnMgCuScZr，利用热处理工艺对其结构进行调控，得到了能同时拥有晶粒多峰异质结构与双析出相结构的微观组织，并最终优化其综合力学性能。

（a）SLM工艺示意图，（b）不同STA条件下AlZnMgCuScZr合金的微观结构演变示意图

AlZnMgCuScZr在打印态、ST和STA条件下的拉伸性能

该材料具有结构化的微观结构，由多峰晶粒和复杂的分级相形态组成。它由初级Al3 (Scx ,Zr1-x ) 颗粒组成，作为超细晶粒的孕育剂，防止裂纹形成。亚稳态的富镁、锌和铜的二十面体准晶（I相）普遍分散在晶粒内部，并沿晶界排列为花丝骨架。对所有层级的理解打开了通过调整热处理参数来定制合金机械响应的途径。通过调整后续热处理参数，可促使准晶相溶解到基体中以及后续的时效析出强化型第二相（η'）。同时在热处理过程中析出二次的Al3(Sc,Zr)纳米颗粒，形成η'和Al3(Sc,Zr)双析出相纳米结构。

采用该工艺手段生产出了一种微观结构变体，该变体使合金的屈服强度范围高达647 ± 6 MPa，这是已知的SLM生产的铝合金的最高值，同时具有可观的延展性11.6% ± 1.5%。可调分级微观结构设计策略可用于更广泛的SLM生产的 Al7000系列合金，对于轻量化应用具有重要潜力。

注：本文内容参考论文原文及材料科学与工程相关报道。