《npj Adv. Mater.》：基于AMAZEMET超声雾化技术优化微观结构的高强度高塑性铝合金设计与增材制造研究

引言

随着制造技术的不断发展，尤其是3D打印（金属激光粉末床熔化，简称LPBF），为工业带来了前所未有的设计自由度和制造灵活性。铝合金作为轻质材料，在航空航天、汽车、电子等领域有着广泛应用。然而，传统铝合金在机械性能、耐高温和塑性方面仍存在不少挑战，限制了其更高层次的应用。

本文介绍了一项最新的研究成果，利用AMAZEMET的rePowder超声雾化系统进行粉末制备，通过系统设计和微结构调控，成功研发出一款兼具高强度、高塑性和耐高温性能的创新型铝合金，为3D打印铝合金性能的提升开辟了新的前景。

正文

背景

铝合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和加工性能，成为重要的结构材料。尤其在航空航天、汽车行业中，对于轻质高强度材料的需求日益增长。然而，传统铝合金存在一些瓶颈：

韧性不足：许多高强度铝合金在强化的同时，韧性明显降低，导致易脆断裂。
热稳定性差：在高温环境下，材料性能会下降，限制了其在高温场景中的应用。
缺陷敏感性：激光制造过程中常出现孔洞、裂纹等缺陷，影响机械性能。

因此，如何在保证强度的同时提升韧性和热稳定性，成为科研的热点。

创新突破

1.微结构设计的核心思想

研究团队借助AMAZEMET的高精度超声雾化系统，基于对微观结构与材料性能关系的深入理解，采用数字模拟与实验验证相结合的方法，结合化学调控与热处理技术，优化微观相的组成和分布。

关键策略包括：

控制合金中主要相的数量和分布
调整沉淀相的种类和尺寸
改善晶粒组织，强化晶界性能

2、模拟支撑：从预测到验证

借助Scheil模型等计算工具，模拟合金在实际制造条件下的相变行为，预测了不同元素比例对微结构的影响，为后续实验提供定量指导。

通过调节Zr（钇）和Ni（镍）的含量，实现了优化的相组成，有效提升材料的塑性和韧性。

材料设计

1. 元素调控：Zr、Ni、Er的作用

Zr（钇）：作为细晶剂，促进晶粒细化，抑制裂纹扩展。调节Zr含量，能控制Al₃Zr相的生成，增强晶粒界强度。
Ni（镍）：作为强化相的核心元素，促进沉淀物的形成，提高高温强度，但过多则可能导致脆性增加。
Er（铒）：可调控L1₂相的形成，强化沉淀细化，提高材料的应力耐受能力。

通过调节这些元素比例，实现了微结构的稳态优化。

2. 热处理调控：微结构的动态优化

在激光粉末床熔化制造后，经过不同温度和时间的热处理，沉淀相的大小和分布得到改善，显著提升材料的韧性和高温性能。

特别是在400°C热处理下，材料的硬度保持稳定，表现出良好的热稳定性。

微结构特征：关键影响因素

01晶粒细化

晶粒细化是提升强度和韧性的关键。研究中，通过合理调整合金元素比例和热处理参数，获得了均匀细粒的微观组织。

晶粒越细waren晶界面越多，阻止裂纹扩展，提高韧性。

02沉淀相控制

沉淀相如Al₃Zr和Al₃Ni在微观中的分布决定了材料的强韧兼容性。

大小：细小沉淀有利于增强强度，同时避免应变集中。

数量：合理控制沉淀密度，兼顾强度和韧性。

03孔洞与裂纹抑制

在激光制造过程中，孔洞和裂纹是影响性能的大忌。研究团队优化激光参数，确保凝固过程中的热输入均匀，最大程度减少缺陷。

此外，微细晶粒和均匀沉淀有助于减缓裂纹扩展。

性能表现

1、机械性能

强度：拉伸强度达到279 ± 11 MPa，比传统对应合金提升约25%，同时保持良好的断裂韧性。
韧性：拉伸塑性从不足1%激增到19%，实现了质的飞跃。
硬度：经热处理后，硬度仅下降15%，显示出优异的热稳定性。

2、微观断裂行为

断裂分析显示，优化后材料的断裂面呈现大量韧性大孔洞和细胶状裂纹，避免裂纹扩展，体现出良好的塑性。

3、高温性能

在250°C高温环境中，材料仍能保持大部分机械性能，满足工程实际需求。

激光制造工艺优化

激光工艺参数的精细调控是确保微结构优化的保障。研究中采用了：

激光能量密度：优化激光功率和扫描速度，确保充分熔融但避免过热。
扫描策略：采用交错扫描路径，减少残余应力和孔洞。
后续热处理：系统调控热处理温度和时间，微调沉淀相和晶粒。

通过这些措施，制造的样件达到了高密度、低缺陷的目标。

图文导读

图1.a合金在制造状态下的扫描电镜图像。熔池用虚线表示。热影响区和熔池边界主要由细小的等轴晶组成，而熔池内部则以细长柱状晶为主。b熔池内柱状微观结构。c等轴晶区高倍扫描电镜能谱（EDS）显示Al3Zr析出物密度较高（用“Z”表示）。d微观结构的逆极图（IPF）图，用虚线表示熔池。右下角IPF图例中的箭头表示建筑方向。（100）方向的PF表明晶粒的方向是随机的，没有明显的织构。

图2.a 由参考文献 64 改编的原始态、8 小时热处理和 48 小时热处理样品的应力 - 应变曲线，附图显示了应变硬化率曲线。b 不同热处理时间下屈服强度和延展性的演变情况可视化。c - e 原始态、8 小时和 48 小时样品的断裂面，随着热处理时间的增加，凹坑密度和面积分数增大。

图3.a、b分别为变形8小时样品的IPF和GROD 图。IPF图例中的箭头表示建筑方向。两个具有高局部取向差的晶粒被突出显示。c 为与IPF图（a）和GROD图（b）对应的视野的SEM图像。富析出相区域与IPF图中的细晶区对齐。GROD 图中识别出的具有高局部取向差的晶粒用虚线框圈出。c-1、c-2 分别为感兴趣的晶粒 - 晶粒#1 和晶粒#2 的SEM-EDS图像。两个晶粒都被析出相所包围，其中“N”表示 Al3Ni 析出相，“T”表示三元析出相。在两个晶粒附近观察到空洞，这是由于析出相与软且延展的铝基体之间的应变不兼容所致。

图4.a、b、c 三张扫描电子显微镜 - 能谱图像，分别展示了竣工状态下、8 小时后以及 48 小时后样本中孔洞附近析出物的图像。主要成分是 Al3Zr 和 Al3Ni，它们共同导致了孔洞的形成，其中竣工状态下的样本中 Al3Zr 的占比更高，而随着样本暴露于高温环境的时间延长，Al3Ni 的占比则会增加。d 该材料系统在竣工状态和高温条件下的微观损伤机制示意图。

图5.不同二元Al析出物的Pugh’s比值与归一化Pettifor’s Cauchy压力的相关性。突出显示Al3Zr和Al3Ni，并对所有数据点进行双曲函数拟合。这两个判据都表明Al3Zr比Al3Ni更硬、更脆，并且两相都与Al基体产生应变不相容。

图6.250℃时平衡相分数等高线图。红星表示基准合金的成分。Zr含量逐渐降低“黄金比例”线使Al3Zr相最小化，同时保持最大的L12相分数。b来自Scheil模拟的相分数。Ni = 0.6 at。%抑制Al3Ni的形成，同时最大化三元相分数。

图7.通过谢尔模型模拟以及在 250°C 下的平衡模拟，分别计算出了基准合金和设计合金的相分数。

图8.建立基准合金和设计高延性合金的应力-应变曲线。高延展性合金的拉伸试验重复了三次，以确保结果的重复性。

图9.a 设计合金的断裂面。b 基准合金和设计高延展性合金的凹坑尺寸分布情况。c 基准合金与设计合金之间凹坑面积比例和平均凹坑尺寸的对比。设计合金中更大且分布更密集的凹坑表明其延展性得到了增强。

图10.基准合金和高延展性合金在400℃等温热处理下的硬度演变。两条曲线的总体趋势几乎平行，表明热响应相似。新设计的合金具有良好的热稳定性，在48小时后，与制造条件相比，硬度降低了15%，而基准合金的硬度降低了11%。

结语

本研究旨在通过合理的微观结构设计，结合AMAZEMET高精度超声雾化技术，开发具有高强度与高塑性的铝合金，以满足高温环境下的应用需求。通过模拟、实验验证以及微观组织分析，利用AMAZEMET的先进雾化技术成功实现了微结构的精准调控，有效提升了材料的性能。同时，结合最新的增材制造工艺，确保了该材料在实际生产中的可行性和优越的性能表现。本文的研究不仅丰富了高性能铝合金的设计理论，也为其在航空航天、汽车等领域的广泛应用提供了坚实的技术基础和理论支撑。未来工作将着重于进一步提升材料的热稳定性与抗疲劳性能，推动高强度、高塑性铝合金的产业化进程，为相关行业的创新发展贡献力量。