865MPa！中科院金属所开发出超高强耐热3D打印铝合金

3D打印可以高效生产结构-性能集成的铝合金部件，满足了航空航天和汽车工业长期需求。然而，高强度铝合金具有高开裂敏感性，实现高强度铝合金的近全致密增材制造仍然是重大挑战。

3D打印技术参考注意到，来自中科院金属所的研究人员于近日取得新突破，他们通过LPBF工艺设计并制备了一种Al-Fe-V-Si-Sc合金。LPBF过程中极高的冷却速率和热梯度促进了特殊分级异质结构的形成。位于熔池中心的非晶/晶体复合结构以及存在于熔池边界的纳米级析出物可以为该合金提供强化，使其在室温和高温下都呈现出超高强度。

研究人员使用优化的工艺参数3D打印预合金Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si-0.3Sc粉末，相关检测未发现明显的裂纹、未熔合等冶金缺陷，材料的致密度达到了99.9%，成功制造了无裂纹和接近全致密的合金样品。

样品在325°C下人工时效2小时后空冷，通过显微硬度和拉伸试验评估3D打印铝合金的机械性能。结果显示，热处理样品的不同区域的显微硬度与已报到的同类合金相比得到明显强化。究其原因，是因为LPBF过程极高的冷却速率（∼105–107K/s)，在合金内诱导形成了多尺度相，有利于抑制裂纹的萌生并阻碍其扩展，从而提高合金的变形抗力。

(a) 在不同热输入条件下高速相机拍摄的熔池堆叠图像。(b) 用最佳参数制造的热处理样品的3D显微组织图像。(c) 复杂结构样品的宏观图像。(d) 与BD平行的热处理样品的SEM图像。局部放大的SEM图像：(e) 熔池中心和(f) 熔池边界。(g–i) 与BD平行的热处理样品的EBSD结果：(g) 逆极图（IPF）图，(h) 晶界分布和(i) 核平均旋转（KAM）图

3D打印的Al-Fe-V-Si合金铝合金在20°C到400°C范围内表现出优异的机械性能。不同温度下样品的应力-应变曲线显示：

• 在20°C时合金表现出超高的强度，抗拉强度为865±11.5MPa，屈服强度为649±17.5MPa。这些数值超出了多种LPBF铝合金已报道的数值。

• 样品的强度随温度变化，与其他3D打印耐热铝合金相比，该合金在不同温度下表现出更高的抗拉强度。

• 在300℃时的抗拉强度和屈服强度分别为463MPa和431MPa；

• 在400℃时的抗拉强度和屈服强度分别为225MPa和191MPa。

(a) 熔池中心和边界处的硬度分布。(b) 不同温度下的工程应力-应变曲线。(c)不同3D打印铝合金在室温条件下抗拉强度与延伸率对比 (d) 不同温度下多种3D打印铝合金的抗拉强度对比

因此，通过合金化Sc并充分利用LPBF工艺的特性，研究人员开发出一种具有超高强度和耐高温的铝合金。热处理后的LPBF Al-Fe-V-Si-Sc合金的超高强度可以归因于多种强化机制，包括Orowan、过饱和固溶体、高密度原子团簇、高密度位错和HDI硬化。同时，成功制造了具有复杂晶格结构的典型零件，表明该合金具有良好的打印性能，该合金的断裂延伸率可能会是日后需要改善的重点。

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