南科大朱強團隊合作在3D打印高強高韌鋁合金領域取得新進展

近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強團隊與香港城市大學呂堅院士團隊、北京科技大學毛新平院士團隊、澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊合作，在增材制造（3D打印）鋁合金領域取得新進展，相關成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”爲題發表在學術期刊 Materials Today 上。

該研究表明通過激光粉末牀熔融（L-PBF）增材制造技術，可促使鋁合金同時具備細化的多模態晶粒異質結構與納米尺度的面缺陷（如層錯，孿晶界，9R相），以此優化材料力學性能，使其屈服強度達到迄今爲止幾乎所有L-PBF生產的鋁合金中最高水平（~656 MPa），並同時具有可觀的延伸率（~7.2%）。該類高強韌鋁合金的成功研發爲用於先進結構應用的高性能鋁合金部件提供了新的範式，有利於輕量化設計和減少碳足跡。

金屬增材制造技術作爲一種先進的材料成形工藝，爲復雜結構零部件設計與成型及高性能合金的設計與開發提供了新的機遇。在雙碳約束與加快發展新質生產力戰略的背景下，市場對產品輕質高強化的需求與標準不斷提高。因此，具有優異力學性能的輕質鋁合金復雜結構零部件受到了航空航天、汽車工業和國防工業等領域的廣泛關注。目前，大多數鋁合金的金屬增材制造局限於近共晶的鋁硅成分（如AlSi10Mg），雖然這些成分容易加工，但力學性能較差。而具有最佳性能的沉澱硬化鋁合金（如2xxx或7xxx系列）由於凝固溫度區間大，在打印過程的極端凝固條件下極易發生熱裂現象，從而難以制備。朱強團隊與其他團隊之前的研究均表明，通過原位形成或外部引入與鋁基體晶格匹配的異質形核顆粒，和/或含有高生長限制因子（即高Q值）的有效溶質，可以在打印過程中引發顯著的晶粒細化與消除裂紋。然而，這些鋁合金在強度和延展性之間難以實現令人滿意的平衡，對打印鋁合金的更廣泛的商業部署與工業應用帶來了挑戰。

近期，材料學界在開發高性能金屬材料取得的突破揭示了引入納米級強化面缺陷（如孿晶邊界，層錯，9R相）以提高力學性能的變革潛力。以納米孿晶爲例，其作爲一種特殊的微觀組織可爲金屬材料帶來諸如高強度、高穩定性等優異的性能，一直是行業內的研究熱點。但迄今爲止，相關研究大多局限於具有中、低層錯能的金屬材料（如銅和銀等），在具有高層錯能的金屬(如鋁)中則很難形成納米孿晶組織。

對於工業上廣泛使用的鋁及鋁合金而言，如果能形成這些納米級的面缺陷進行強化，則有望大幅度提高其強度，從而擴寬其應用範圍。通常而言，將鋁與低層錯能金屬（如鐵，銀，鎂等）復合，可以在超快速凝固條件下（如物理氣相沉積）形成具有納米孿晶的鋁基薄膜。這種制備方法工藝復雜、條件嚴苛，同時需要利用低層錯能金屬作爲孿晶源以誘發孿晶生長且僅能制備薄膜材料。對於塊狀材料而言，目前主要通過嚴重塑性變形來引入這些納米尺度的面缺陷進行強化，其實際應用則受到限制。因此，如何能在更加簡單的條件下直接制備出納米面缺陷強化的塊狀鋁材料仍是國際性難題，相關研究具有重要的理論意義與實用價值。

圖1 打印態鋁合金中具有三模態晶粒分布的分級異質結構圖

針對上述問題，朱強與其合作者提出了一種通過增材制造技術制備具有超細異質結構與納米尺度面缺陷強化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料，其兼具超高強度與高塑性。研究表明打印態鋁合金展示出三模態晶粒分布的分層異質結構：超細等軸晶，細等軸晶與細小柱狀晶，主要是由於Al3(Sc,Zr)顆粒的不均勻析出而形成。進一步的微觀組織表徵還發現納米尺度的面缺陷，包括高密度的層錯、孿晶界與9R相。打印態的合金展示出優異的力學性能，包括屈服強度~461 MPa，延伸率~21％。爲進一步增幅沉澱強化效果，課題組採用直接時效熱處理（300攝氏度下4小時）促進大量納米強化相的析出。同時，打印態組織中的納米級面缺陷和三模態晶粒異質結構在熱處理後也得以保留，這成就了超高強度與優異塑性的結合。熱處理態合金~656MPa的屈服強度超過了之前報道的幾乎所有增材制造高強鋁合金與鍛造鋁合金。

圖2 打印態鋁合金中的納米級面缺陷圖

圖3 L-PBF制備鋁合金在打印態和熱處理後的拉伸性能圖

南方科技大學-香港城市大學聯合培養2021級博士生李幹爲論文第一作者，南方科技大學朱強講席教授、香港城市大學呂堅院士、昆士蘭大學張明星教授和北京科技大學黃禹赫講師（原南方科技大學博士後）爲論文共同通訊作者。此外，南科大機械系副教授逯文君、博士生候軍華、碩士生賀喜與材料系研究教授黎興剛也爲論文的發表作出重要貢獻。該研究得到了國家自然科學基金、中國博士後科學基金、深圳市高機能材料增材制造重點實驗室、深圳市基礎研究項目等資助。

本文來自科研新聞