《Materials Science and Engineering: A》：Achieving the improvement of isotropic strength in the additively manufactured Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti alloy via heterogeneous nucleation and eutectic solidification
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高強鋁合金通過激光粉末床熔融制備時存在固態收縮裂紋和粗大柱狀晶，導致各向異性。本研究設計Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti新型合金，采用異質形核與共晶凝固調控協同策略，實現99.7%高相對密度和492/530 MPa各向同性屈服/抗拉強度。
李家博|王建英|王安靜|朱夢珍|陶文|季守順|楊海林
中南大學粉末冶金國家重點實驗室，中國長沙410083
摘要
由于存在凝固裂紋和粗大的柱狀晶粒，激光粉末床熔融（L-PBF）制備的高強度鋁合金的各向同性力學性能受到嚴重損害，這些微觀結構的各向異性導致了性能的不均勻。在這項工作中，為了實現各向同性的微觀結構，我們采用引入晶核顆粒和調控共晶凝固的聯合策略，制備了一種新型的Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金。該合金表現出優異的無裂紋加工性能，在體積能量密度（VED）為75.0 J/mm3時，相對密度達到了99.7%。合金的微觀結構由超細的等軸α-Al晶粒、蜂窩狀共晶結構以及L1?-Al?Ti初級顆粒組成。α-Al晶粒在水平方向的平均尺寸為1.07 μm，在垂直方向的平均尺寸為1.03 μm。初級α-Al相周圍是蜂窩狀共晶結構，主要由Mg?Si、S-Al?CuMg和MgZn?相構成，其尺寸在水平方向為0.94 μm，在垂直方向為0.82 μm。這種結構均勻性歸因于在相干Al?Ti納米顆粒上的廣泛異質晶核形成，以及由于溶質積累導致的高生長限制因子（Q = 45.9 K）。精細且均勻的微觀結構使得該合金在水平和垂直方向上都具有出色的各向同性拉伸性能，屈服強度和抗拉強度分別為492 MPa和530 MPa。因此，這些結果為通過增材制造制備無裂紋且各向同性的高強度鋁合金提供了新的見解。
引言
激光粉末床熔融（L-PBF）是一種有前景的金屬增材制造（AM）技術，可用于制造復雜的結構部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。鋁合金在汽車、生物醫學和航空航天行業具有特別的應用前景[6]、[7]、[8]。然而，L-PBF的固有特性，如快速凝固和極端的熱梯度，常常導致凝固裂紋和柱狀晶粒的出現[9]、[10]。與L-PBF兼容的鋁合金種類仍然有限。雖然中等強度的Al-Si基合金顯示出良好的打印性能[11]、[12]、[13]，但高強度鋁合金（例如An-Zn-Mg-Cu（7xxxx）通常容易發生熱裂紋。這歸因于它們較差的焊接性能和寬的凝固溫度范圍，這些因素嚴重影響了它們的力學性能[14]、[15]、[16]。因此，迫切需要探索專門適用于L-PBF的高強度鋁合金成分。
通過引入晶核顆粒實現晶粒細化和柱狀晶粒向等軸晶粒的轉變（CET），已被證明是消除L-PBF制備鋁合金熱裂紋的有效策略[17]、[18]、[19]、[20]。一項代表性研究證實，L-PBF制備的Al-Ni-Ti-Zr合金中的Al?(Ti,Zr)能夠有效控制凝固行為并促進CET，從而抑制熱裂紋的形成并接近達到全密度[20]。基于這一原理，其他研究也表明，向鋁合金中添加TiB?、TiC或TiH?可以類似地促進L-PBF制備的鋁合金的晶粒細化[21]、[22]。這種效果源于Al?Ti沉淀物的異質晶核作用和過飽和Ti溶質的高生長限制效應（Q = 45.9 K）。此外，通過預合金化形成固溶體晶核的元素，可以直接將晶粒細化策略融入成分調控中。成功的例子包括專門為增材制造開發的Scalmalloy?和Al–Mn–Sc體系[23]、[24]。得益于快速凝固過程中形成的細小等軸晶粒結構，這些增材制造的鋁合金表現出優異的打印性能和增強的綜合力學性能。
同時，研究表明，調控共晶反應已成為解決增材制造鋁合金凝固裂紋問題的基本方法。共晶合金的狹窄凝固范圍使其具有固有的抗裂紋能力，共晶反應產生的液相可以有效填充易發生裂紋的晶界區域[25]、[26]。最近的發展利用了Al-Si系列合金中的共晶填充機制來設計改進的L-PBF制備鋁合金[27]、[28]、[29]。這些研究證實，共晶Si可以減少凝固間隔和裂紋敏感性，消除熱裂紋并提高力學性能。類似的，接近共晶成分的Al–Fe、Al–Ce和Al–Ni體系也表現出顯著的裂紋抑制能力[30]、[31]、[32]。研究人員還將晶粒細化和共晶凝固結合起來，設計特定的L-PBF制備鋁合金，旨在同時解決裂紋問題并增強強度。例如，新型的Al-Ni-Ti/Sc/Zr和Al-Si-Sc/Zr體系展示了優異的綜合力學性能[33]、[34]、[35]。
由于L-PBF特有的嚴重熱梯度，導致產生的粗大柱狀晶粒會引起熱裂紋和鋁合金的各向異性力學性能。盡管取得了這些進展，但將晶粒細化和共晶形成結合起來全面調控凝固的過程仍然不足，尤其是實現全面的各向同性控制尚未完全實現。為了解決這一挑戰，我們設計了一種新型的Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金，并通過L-PBF制備了它。如圖1所示，合金設計結合了兩種典型的互補機制：（i）在初始凝固過程中原位形成L1?-Al?Ti晶核以促進晶粒細化和CET；（ii）在最終凝固階段調控共晶形成以生成蜂窩狀結構和強化沉淀物。這種協調的方法旨在消除凝固裂紋和各向異性，同時實現優異的力學性能。在研究了打印參數、相組成和水平和垂直方向的微觀結構后，本文全面討論了裂紋抑制、晶粒細化和強度增強的機制。這項工作不僅展示了通過L-PBF制造高強度鋁合金的可行途徑，還為設計具有定制微觀結構和性能的下一代AM金屬材料提供了一個新的框架。
材料制備
預合金粉末是通過高壓氣體霧化設備（HERMIGA100/20）生產的。粉末主要為球形，含有少量衛星顆粒（圖2(a-c)），其尺寸分布呈正態分布，D??為31.8 μm。合金粉末的詳細化學成分通過電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）確定，如表1所示。樣品制備使用EP-M150金屬3D打印機完成。
密度測量和缺陷特性
L-PBF制備的金屬材料的相對密度主要由體積能量密度（VED）決定，其計算公式為[36]：VED = P / (v?h?t)其中P表示激光功率（W），v表示掃描速度（mm/s），h表示層間距（mm），t表示層厚度（mm）。圖3(a)顯示了在不同VED下Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金的相對密度。隨著VED從59.5 J/mm3增加到75.0 J/mm3，相對密度最初增加并達到最大值Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti合金的打印性能
決定L-PBF制備合金裂紋敏感性和加工性能的凝固行為主要受成分控制。圖11(a)使用Pandat軟件模擬了Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金的凝固曲線。凝固順序為L → Al?Ti → (Al?Ti+α-Al) → (Al?Ti+α-Al+Mg?Si) → (Al?Ti+α-Al+Mg?Si+MgZn?)，其凝固溫度范圍高達151.7 °C。一般來說，凝固溫度范圍越寬結論
在這項研究中，我們設計并成功制備了一種具有各向同性微觀結構和力學性能的新型Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金。系統研究了裂紋抑制機制、晶粒從柱狀向等軸的轉變（CET）以及力學性能。結論如下：
(1)所開發的Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti合金表現出優異的打印性能，在VED為75.0 J/mm3時，相對密度達到了99.7%的峰值。
CRediT作者貢獻聲明
王建英：研究、正式分析。李家博：撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿撰寫、研究、正式分析、概念構思。楊海林：撰寫 – 審稿與編輯、監督、項目管理、資金獲取、概念構思。季守順：撰寫 – 審稿與編輯、概念構思。陶文：撰寫 – 審稿與編輯、正式分析、概念構思。朱夢珍：正式分析、概念構思。王安靜：監督、正式
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
感謝國家自然科學基金（授權號：52071343）的財政支持。
