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近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系逯文君助理教授團隊、德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊和新加坡先進制造技術(shù)研究院Sharon Mui Ling Nai團隊在Materials Today聯(lián)合發(fā)表論文，報道了一種通過選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制備的兼具高強度、高韌性的鋁合金材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過SLM技術(shù)與適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳纱偈逛X合金同時具備晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)及雙析出相納米結(jié)構(gòu)，并以此優(yōu)化材料力學(xué)性能（屈服強度～647 MPa和斷裂韌性～11.6%），使其成為迄今為止選區(qū)激光熔化綜合性能最為優(yōu)異的7000系鋁合金材料。該類高強韌鋁合金的成功研發(fā)為SLM技術(shù)在鋁合金裝備制造領(lǐng)域的推廣提供了新途徑。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019
SLM制備技術(shù)通?？蓱?yīng)用于高附加值復(fù)雜部件的快速制造（如航空航天和電動汽車應(yīng)用的裝載零件，其材料大多基于可焊接合金類型）。然而，鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的輕質(zhì)合金材料卻有著較高的激光反射率、較差的鋪展性及高的表面氧化性，從而導(dǎo)致了其在SLM制備過程中易產(chǎn)生開裂等問題。其中，時效硬化型高強鋁合金如7000系鋁合金尤為明顯。因此，如何應(yīng)用SLM高效制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術(shù)難點。有研究表明，添加Si、Sc、Zr或ZrH2可打印無裂紋的7000系列鋁合金。然而，與傳統(tǒng)鑄造合金相比，通過SLM制備的鋁合金的綜合力學(xué)性能仍然處于較低水平。除此之外，SLM打印參數(shù)及后續(xù)熱處理工藝對鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)影響機理尚不清楚，極大地限制了此類鋁合金工程應(yīng)用范圍。
為此，南方科技大學(xué)逯文君及其合作者提出了一種適用于SLM工藝的新型鋁合金成分設(shè)計：AlZnMgCuScZr，利用熱處理工藝對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，得到了能同時擁有晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)與雙析出相結(jié)構(gòu)的微觀組織，并最終優(yōu)化其綜合力學(xué)性能。通過球差掃描透射電鏡與原位電鏡技術(shù)對材料在不同溫度下的微觀組織變化進行細致表征，發(fā)現(xiàn)除了可用于晶粒細化（生成晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)）及防止裂紋生成的Al3(Sc,Zr)先析出相外，富含Mg、Zn和Cu的亞穩(wěn)準(zhǔn)晶相也可在晶界上大量析出。通過調(diào)整后續(xù)熱處理參數(shù)，可促使準(zhǔn)晶相溶解到基體中以及后續(xù)的時效析出強化型第二相（η'）。同時在熱處理過程中析出二次的Al3(Sc,Zr)納米顆粒，形成η'和Al3(Sc,Zr)雙析出相納米結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以題:Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation發(fā)表在國際高水平期刊Materials Today上。
新加坡先進制造技術(shù)研究院朱志光博士為論文第一作者，南方科技大學(xué)逯文君教授與新加坡制造技術(shù)學(xué)院Sharon Mui Ling Nai博士為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)與新加坡制造技術(shù)學(xué)院為共同通訊單位。該工作獲得新加坡A*STAR結(jié)構(gòu)金屬項目、深圳市科技計劃項目、南方科技大學(xué)測試中心的資助與支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019
SLM制備技術(shù)通?？蓱?yīng)用于高附加值復(fù)雜部件的快速制造（如航空航天和電動汽車應(yīng)用的裝載零件，其材料大多基于可焊接合金類型）。然而，鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的輕質(zhì)合金材料卻有著較高的激光反射率、較差的鋪展性及高的表面氧化性，從而導(dǎo)致了其在SLM制備過程中易產(chǎn)生開裂等問題。其中，時效硬化型高強鋁合金如7000系鋁合金尤為明顯。因此，如何應(yīng)用SLM高效制備該類鋁合金成為了亟需攻克的技術(shù)難點。有研究表明，添加Si、Sc、Zr或ZrH2可打印無裂紋的7000系列鋁合金。然而，與傳統(tǒng)鑄造合金相比，通過SLM制備的鋁合金的綜合力學(xué)性能仍然處于較低水平。除此之外，SLM打印參數(shù)及后續(xù)熱處理工藝對鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)影響機理尚不清楚，極大地限制了此類鋁合金工程應(yīng)用范圍。
為此，南方科技大學(xué)逯文君及其合作者提出了一種適用于SLM工藝的新型鋁合金成分設(shè)計：AlZnMgCuScZr，利用熱處理工藝對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，得到了能同時擁有晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)與雙析出相結(jié)構(gòu)的微觀組織，并最終優(yōu)化其綜合力學(xué)性能。通過球差掃描透射電鏡與原位電鏡技術(shù)對材料在不同溫度下的微觀組織變化進行細致表征，發(fā)現(xiàn)除了可用于晶粒細化（生成晶粒多峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)）及防止裂紋生成的Al3(Sc,Zr)先析出相外，富含Mg、Zn和Cu的亞穩(wěn)準(zhǔn)晶相也可在晶界上大量析出。通過調(diào)整后續(xù)熱處理參數(shù)，可促使準(zhǔn)晶相溶解到基體中以及后續(xù)的時效析出強化型第二相（η'）。同時在熱處理過程中析出二次的Al3(Sc,Zr)納米顆粒，形成η'和Al3(Sc,Zr)雙析出相納米結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以題:Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation發(fā)表在國際高水平期刊Materials Today上。
圖1.（a）SLM制備技術(shù)簡化圖和（b）不同熱處理工藝條件下的鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)變化圖。
圖2.SLM制備的鋁合金在不同熱處理工藝下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖與其他類型的鋁合金性能對比圖。針對打印態(tài)與退火態(tài)的鋁合金材料微觀組織結(jié)構(gòu)的電鏡分析圖。
圖3.STEM模式下的原位加熱表征圖：準(zhǔn)晶相的溶解機制及第二相的析出機制。
新加坡先進制造技術(shù)研究院朱志光博士為論文第一作者，南方科技大學(xué)逯文君教授與新加坡制造技術(shù)學(xué)院Sharon Mui Ling Nai博士為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)與新加坡制造技術(shù)學(xué)院為共同通訊單位。該工作獲得新加坡A*STAR結(jié)構(gòu)金屬項目、深圳市科技計劃項目、南方科技大學(xué)測試中心的資助與支持。
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