原位Mg2Si相以及后续处理的Al3(Sc,Zr)、Al6Mn相的引入，可显著提升激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的强度与延展性能

《Journal of Materials Science & Technology》：In-situ Mg 2Si phase and post-process Al 3(Sc,Zr), Al 6Mn phases for enhanced strength-ductility performance for laser powder bed fused Al-Mg-Sc-Mn-Zr alloy

　　本研究系统探究了激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的微观结构演变及力学性能，通过热力学分析与实验表征揭示多相协同强化机制，直接时效处理实现强度提升37.9%的同时保持13.8%的延伸率，建立高性能铝合金增材制造新路径。

　　

余俊|龙振宇|佘杰|魏磊|王林增|任杰|朱洪斌|杨海鸥|林鑫

西北工业大学固态成形国家重点实验室，中国西安710072

摘要

本研究通过综合热力学分析和实验表征，系统研究了激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的微观结构演变和力学性能。Scheil凝固计算表明，增加Sc和Zr的含量使初级Al₃(Sc,Zr)的形成温度从809.1°C升高到863.8°C，而Mn和Si的添加促进了Al₆Mn和Mg₂Si相的形成，其体积分数分别为3.46%和17.5%。沉积态合金具有独特的双峰晶粒结构：熔池边缘为0.64 μm的细晶粒，熔池内部为1.84 μm的粗晶粒。在直接时效处理过程中，形成了平均半径为1.21 nm的众多次级Al₃(Sc,Zr)沉淀物。热历史模拟显示，由于长时间暴露在130°C以上，Mg₂Si沉淀物在原位形成；而Al₆Mn则需要后续热处理才能析出。经过直接时效处理的合金力学性能显著提高，屈服强度和抗拉强度分别达到633 MPa和647 MPa，伸长率保持在13.8%，相比沉积态分别提高了37.9%和33.7%。原位拉伸测试表明，由于应变不匹配和脆性的Al₆Mn相的存在，裂纹起源于细晶粒与粗晶粒的界面。这些发现为增材制造过程中的相选择和沉淀动力学提供了基本见解，为通过控制多相工程开发高性能铝合金开辟了新途径。本研究结合原位和体外沉淀的方法，在增材制造的铝合金中实现了强度和延展性的最佳平衡。

引言

激光粉末床熔融（LPBF）作为一种变革性的增材制造技术，能够高精度地生产复杂的铝合金部件，并缩短生产周期[1,2]。然而，传统铝合金由于导热性高、凝固温度范围宽以及较大的收缩应力，往往在LPBF过程中容易开裂[3]。在各种铝合金体系中，Al-Mg-Sc-Zr合金特别受到关注，因为Sc和Zr的添加促进了纳米级Al₃(Sc,Zr)沉淀物的形成，从而同时提高了强度并细化了晶粒结构[4],[5],[6]。虽然目前的LPBF加工Al-Mg-Sc-Zr合金的抗拉强度通常在500 MPa左右，但试图将其强度提高到600 MPa以上时，往往会伴随不可接受的延展率损失（伸长率< 3%）[7]。这种持续的强度-延展率权衡凸显了创新合金设计策略的必要性。

最近的研究探索了通过调整成分来克服这些限制的方法。增加Sc和Zr的含量可以促进初级Al₃(Sc,Zr)相的形成，从而通过异质形核显著细化晶粒[8],[9],[10],[11],[12]。Mn的添加增强了固溶强化效果，并在时效过程中促进了次级Al₃(Sc,Zr)沉淀物的形成[4,13]。Mn还提供了额外的固溶强化作用，并形成了热稳定的Al₆Mn相，抑制了再结晶[8,14]。硅的作用是双重的：它加速了Sc/Zr的扩散，促进了Al₃(Sc,Zr)的形核，并形成了改善合金流动性和抗裂性的Mg₂Si沉淀物[15],[16],[17]。尽管这些单独的效果已有充分记录，但仍存在一些关键问题：（i）在LPBF快速凝固条件下，当多种金属间相（Al₃(Sc,Zr)/Al₆Mn/Mg₂Si）共存时，它们的沉淀动力学如何竞争；（ii）如何策略性地利用这些相来实现平衡的力学性能。

先前的研究分别探讨了Al-Mg-Sc-Zr体系中Al₆Mn和Mg₂Si的作用。Sun等人[18]和Wang等人[19]展示了Al₆Mn的晶粒稳定作用，而Li等人[5]和Bi等人[20]报道了Mg₂Si的裂纹缓解能力。然而，目前尚无系统性的研究将多相在Sc/Zr/Mn/Mg/Si改性合金中的协同作用进行整合——这种组合有可能通过多相工程克服强度-延展率的矛盾。

在本文中，我们通过针对性调整Sc、Zr、Mg和Si的含量，并添加Mn，设计了一种新型铝合金，优化了其性能。研究了基于多尺度和时间依赖性相沉淀的LPBF Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的性能强化机制。定量表征和分析了热处理对微观结构和强化机制的影响。特别是详细研究了Al₃(Sc,Zr)、Mg₂Si和Al₆Mn沉淀物的竞争性沉淀动力学行为，改性合金的屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）分别达到了633 MPa和647 MPa，伸长率（EL）保持在13.8%。

部分摘录

粉末和样品制备

本研究使用自制的Al-Mg-Sc-Mn-Zr预合金粉末制备了具有优异性能的致密合金。通过电感耦合等离子体原子发射光谱法确定了粉末和LPBF沉积态下的化学成分。由于沉积过程中的挥发损失，Mg含量有所降低。图1（a）展示了扫描电子显微镜（SEM）图像中的粉末形态。图1（b）显示了颗粒大小

Scheil凝固路径和相组成分析

图2（a）比较了Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金与传统的Scalmalloy[24]的Scheil凝固路径。改性合金有三个显著差异：首先，初级Al₃(Sc,Zr)相在更高的温度（863.8°C vs 809.1°C）下形成，且体积分数增加（2.89% vs 1.14%）。其次，Mn的添加促进了Al₆Mn在638.7°C（3.46 vol.%）下的沉淀，而Mg₂Si在563°C（17.5 vol.%）下形成。第三，凝固终点显著降低

多金属间相的竞争性沉淀机制

LPBF过程中金属间相的沉淀行为受热力学驱动力和动力学约束的影响。为了系统理解这一现象，首先分析了通过Gibbs自由能计算得到的相形成的热力学基础，随后在后续部分探讨了LPBF过程中的热历史和元素扩散动力学。

图11（a）显示了Al₃(Sc,Zr)和基体α-Al的Gibbs自由能

结论

本研究通过综合多尺度表征、热力学分析和力学测试，系统研究了LPBF加工Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的微观结构-性能关系。主要发现总结如下：

(1)

沉积态合金形成了独特的双峰晶粒结构：熔池边缘为细晶粒（0.64 μm），熔池内部为粗晶粒（1.84 μm）。这种独特的微观结构得益于初级Al₃(Sc,Zr)介导的异质形核

作者贡献声明

余俊：撰写——初稿，研究，正式分析，概念构思。龙振宇：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。佘杰：资金获取。魏磊：方法学。王林增：监督。任杰：资金获取。朱洪斌：资金获取。杨海鸥：概念构思。林鑫：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了宁波市重点研发计划（编号：2023T003）的支持。