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本文介绍中国科学院金属研究所马宗义、肖伯律研究员团队最近在JMST上发表的关于增材制造制备超高强铝合金的研究论文。
背景和问题
增材制造技术为高效生产铝合金构件提供了机会,尤其是在航空航天和汽车工业中。然而,高强度铝合金的增材制造仍面临高裂纹敏感性的挑战。目前,商业铝合金在200–450°C范围内不适合结构应用,存在技术空白。因此,需要为激光粉末床熔化(LPBF)技术设计高性能的高温铝合金,以填补传统铝合金与钛合金之间的差距。
主要方法
研究中设计并采用激光粉末床熔化(LPBF)技术制备了Al-Fe-V-Si-Sc合金。通过调整激光工艺参数,成功制备了无裂纹且接近完全致密的样品。LPBF过程的极高冷却速率(约10⁵–10⁷K/s)促进了合金中多尺度相的形成。具体方法包括:
粉末制备:采用气雾化技术制备预合金化的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si-0.3Sc粉末。
LPBF工艺:使用Renishaw AM400机器进行打印,通过高速摄像机监测熔池稳定性。
后处理:样品在325°C下人工时效2小时后空冷。
微观结构表征:采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜和原子探针断层扫描(APT)等技术
力学性能测试:室温和高温拉伸试验,测量硬度和屈服强度等性能指标。
结果和意义
在熔池中心形成了晶态/非晶态复合结构,在熔池边界形成了多种纳米级析出相,这些结构显著提高了合金的强度。
室温下,合金的抗拉强度达到865 MPa,屈服强度为649 MPa,表现出超高强度。
在20°C至400°C的温度范围内,合金展现出优异的高温强度和热稳定性。
非晶态与晶态的协同变形、高密度ScV原子团簇、多种析出相(如Al₈Fe₂Si、Al₁₀V、Al₆Fe和Al₃Sc)的协同作用,以及异质变形诱导硬化(HDI)共同作用,显著提高了合金的强度。
通过添加Sc元素,有效抑制了热裂纹的形成,同时提高了合金的高温性能。
该研究为高性能铝合金的设计提供了新的思路,特别是在航空航天领域的高温应用中具有重要意义。通过优化LPBF工艺参数,成功制备了无裂纹、高致密的铝合金,为增材制造技术在复杂构件制造中的应用提供了有力支持。
论文信息
Ultrahigh strength heat-resistant Al-Fe-V-Si-Sc alloy fabricated by laser powder bed fusion
Xu Tang,Hao Zhang,Peng Xue,Lihui Wu,Junfan Zhang,Lifeng Zhang,Fengchao Liu,Dingrui Ni,Bolv Xiao,Zongyi Ma
通讯作者:张昊(中科院金属所),肖伯律(中科院金属所)
Journal of Materials Science&Technology,Available online 1 May 2025
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.060
论文部分图片,Xu Tang et al.,JMST,2025
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