卡内基梅隆大学《NPJ》：一种耐250 °C“打印态”兼具高塑性与高温高强度的铝合金

——导读——

　　提升打印态（as-built）Al-1.0Zr-0.4Er-1.3Ni合金的延伸率，既可省去后续热处理、降低能耗，又可避免大型构件因残余应力而开裂，显著促进绿色制造。本文基于CALPHAD的ICME模拟，将打印态延伸率从0.93%大幅提升至18.9%，屈服强度仅下降25%（降至279 MPa），且高温稳定性得以保持。

　　图文链接：Ge,Z.,Wei,S.,Liu,Z.et al.High-strength additively manufacturable Al-Zr-Er-Ni alloys with high as-built ductility and thermal stability.npj Adv.Manuf.2,40(2025).

　　https://doi.org/10.1038/s44334-025-00048-7

　　——摘要——

　　增材制造（AM）铝合金若在“打印态”下就具备高延伸率，将带来可持续、更高的承载性能，并降低因残余应力而开裂的风险。然而，目前商用AM铝合金的延伸率普遍极低。本工作以Al-1.0Zr-0.4Er-1.3Ni（at.%）为基准合金，系统研究了其微观组织特征与损伤微机制。SEM结果显示，在打印态与热处理态中，Al₃Zr和Al₃Ni分别贡献了65%和62%的孔洞形核。借助基于CALPHAD的集成计算材料工程（ICME）模拟发现，为保证热处理时形成纳米尺度L12强化相，Zr与Ni的含量在任何Er水平下均不得超过临界阈值。遵循模拟给出的Ni≈0.6 at.%、Zr≈1.1×Er的设计准则，我们优化出Al-0.5Zr-0.4Er-0.6Ni（at.%）成分。仅牺牲25%的强度（降至279 MPa），打印态延伸率即从0.9%跃升至19%；且在400°C保温48 h后，强度仍保持不变。

　　——研究背景——

　　激光增材制造以极高的冷却速率为特征，可实现溶质过饱和¹⁻³、组织尺度细化⁴⁻⁸，并可利用相的亚稳特性⁹⁻¹¹。这些能力为设计性能优异的新型铝合金提供了独特契机。特别是，若打印态（as-built）延伸率得以提升，既可省去后续热处理、降低能耗，又可避免大型构件因残余应力而开裂，从而显著促进绿色制造。此外，在焊接大型装配体等某些工艺路线中，后处理几乎不可行¹²⁻¹⁴；而丝材定向能量沉积等技术则要求材料在打印态就具备足够塑性，以便后续拉拔成丝¹⁵⁻¹⁶。因此，开发打印态力学性能卓越的铝合金已成为关键目标。

　　目前，限制AM铝合金塑性的因素主要有二：

　　(1)工艺缺陷——匙孔、未熔合、球化等缺陷在受力时造成应力集中，诱发过早断裂¹⁷⁻²¹；

　　(2)快速凝固带来的微观组织特征²¹⁻²⁵。后者虽可贡献强化，但往往本身脆硬，导致局部应变不协调、萌生损伤，从而恶化塑性。

　　为抑制工艺缺陷，研究者已广泛采用激光参数优化²¹⁻³³、打印气氛氧含量控制³⁴⁻³⁹以及热等静压（HIP）等后处理手段⁴⁰⁻⁴⁶。然而，即便综合上述措施，强度>250 MPa的高强AM铝合金打印态延伸率仍普遍低于~10%，除非添加纳米粉或采用昂贵Sc合金化⁴⁷⁻⁶¹。迄今唯一例外是Croteau等人通过调控异质晶粒结构，在Al-Mg-Zr合金中实现了25%的打印态延伸率⁶²。因此，厘清控制塑性的AM组织特征及其损伤机制至关重要。

　　本研究聚焦一种新近开发的Al-3.19Zr-2.34Er-2.73Ni（wt.%）基准合金（即Al-1.0Zr-0.4Er-1.3Ni at.%），采用激光粉床熔融（LPBF）制备¹⁰⁻¹¹,⁶³⁻⁶⁴。除特别说明外，下文成分均为重量百分比。打印态组织包含Al₃Zr（D0₂₃）、Al₃Ni、Al₂₃Ni₆M₄以及Al₃M（L1₂）相，其中M为Zr或Er；本文将Al₃M（L1₂）和Al₃Zr（D0₂₃）分别简写为L1₂和Al₃Zr。Al₂₃Ni₆M₄是LPBF快速凝固形成的亚稳相，可在后续热处理中转变为Al₃Ni析出相及纳米级L1₂析出相。合金的核心强化思路正是利用这类亚稳相，将L1₂强化相的尺寸从微米级“细化”到纳米级；同时，Al₃Zr也能在热处理中释放Zr，进一步供给L1₂相形成⁶⁴。补充材料图S1与表S5给出了Scheil与非平衡计算预测的250°C下该合金在打印态及平衡态的相组成。值得指出的是，该基准合金最初专为“可打印性”（无凝固裂纹）及高温强度（利用高体积分数、极低粗化速率的L1₂纳米析出相）而设计⁶⁴。

　　本研究通过系统分析不同热处理时间下的微观组织，确认Al₃Zr与Al₃Ni为损害塑性的有害相。在实验洞察与基于CALPHAD的ICME模拟共同指导下，我们将打印态延伸率从0.93%大幅提升至18.9%，屈服强度仅下降25%（降至279 MPa），且高温稳定性得以保持。

　　——图文导览——

图 1a) 合金打印态的SEM图像。虚线勾画出熔池边界；热影响区（HAZ）与熔池边界主要由细小等轴晶组成，而熔池内部为伸长柱状晶。b) 熔池内部的柱状组织。c) 等轴晶区的高倍SEM-EDS，显示高密度Al₃Zr析出相（标记“Z”）。d) 微观组织的反极图（IPF）图，虚线标出熔池。右下角IPF图例箭头表示建造方向；(100)极图表明晶粒取向随机，无明显织构。

图 2a) 取自文献64的打印态、8 h热处理、48 h热处理样品的应力-应变曲线；插图给出应变硬化率曲线。b) 不同热处理时间下屈服强度与延伸率的演变。c–e) 打印态、8 h、48 h样品的断口形貌：随热处理时间增加，韧窝密度与面积分数均增大。

图 3a, b) 8 h热处理变形样品的IPF图与GROD（局部取向差）图；箭头为建造方向。两晶粒出现高局部取向差。c) 与a、b视场对应的SEM像；富析出相区域与IPF图中的细晶区一致。GROD图中高局部取向差晶粒用虚线框标出。c-1, c-2) Grain#1与Grain#2的SEM-EDS像：两晶粒均被析出相包围，“N”为Al₃Ni，“T”为三元析出相。晶粒附近观察到孔洞，源于析出相与软韧Al基体间的应变不协调。

图 4a–c) 打印态、8 h、48 h样品孔洞附近析出相的SEM-EDS像。Al₃Zr与Al₃Ni为主要孔洞源；打印态以Al₃Zr为主，随热暴露时间增加，Al₃Ni占比升高。d) 打印态与高温条件下微损伤机制示意图。

图 5不同二元Al析出相的Pugh比与归一化Pettifor Cauchy压力关系图。Al₃Zr与Al₃Ni被高亮标出，并用双曲线拟合全部数据。两指标均表明Al₃Zr比Al₃Ni更硬、更脆，且两相均与Al基体产生应变不协调。

图 6a) 250 °C平衡相分数等高线图。红星为基准合金成分；沿“黄金比例”线降低Zr含量可抑制Al₃Zr，同时保持L1₂相分数最大。b) Scheil模拟相分数。Ni = 0.6 at.% 可抑制Al₃Ni生成，并使三元相分数最大化。

图 8打印态基准合金与所设计高塑性合金的应力-应变曲线。高塑性合金拉伸试验重复三次，确保结果可重复。

——结论——

　　本研究旨在设计一种在~250°C服役条件下兼具“打印态”高塑性与高温高强度的铝合金。针对该服役温度，我们进行了热力学模拟，得到如图6a所示的相分数等高线。为更贴近打印态实际情况，又通过Scheil模拟进行验证：基准合金中Al₃Zr相分数为3.85 mol%，而高塑性合金降至1.83 mol%（Scheil模拟等高线见补充图S10）。若完全以Scheil结果为目标，可进一步提升打印态塑性，但无法评估强度的高温稳定性，因此最终仍采用平衡计算结果。

　　在本合金体系中，Al₃M（M=Zr）可呈D0₂₃或L1₂两种结构。初生L1₂相易在熔池边界诱发等轴晶，形成双峰组织，已被证实可提升塑性⁶²。因此，本文仅聚焦于抑制D0₂₃结构的Al₃Zr，而不去主动调节初生L1₂分数；后者需变动Er含量⁶⁴，会干扰后续纳米L1₂析出强化，显著改变强度水平。

　　若需替换强化相，可借助图5的Pugh比与Pettifor Cauchy压力进行筛选。Al₃Zr与Al₃Sc、Al₃Er、Al₃Y一样，位于图右下角，属于最硬、最脆的二元Al析出相；而位于第一象限的Al₃Mg₂、AlTi₃等则有望提高塑性。然而，多组元合金设计引入的物理约束远超出上述两个判据的预测范围。例如，Al₃Zr还能作为形核质点抑制热裂⁶⁹⁻⁷²，在增材制造中不可或缺，因此选相时必须综合权衡。

　　尽管打印缺陷会影响力学性能，本研究已仔细优化激光工艺参数，确保塑性由微孔损伤而非工艺孔隙主导。如“力学测试与SEM表征”所述，采用光学显微镜与微CT评估密度，两种合金均>99.5%；高塑性合金的孔隙率、孔径与形貌略逊于基准合金。若塑性由打印缺陷控制，则基准合金应更优，但实验结果相反。断面光学照片、CT动画及详细孔隙分析见补充讨论II。

　　微孔损伤源于局部应变不协调，尺度~0.1µm，远小于工艺孔隙（10–100µm）。按线弹性断裂力学，无限体中2a长裂纹在σ应力下的应力强度因子KI=σ√πa。取σ=400 MPa、KI=1.6 MPa·√m（参考Scalmalloy，延伸率14–23%⁷³），临界裂纹长度~10µm；而对延伸率仅~1%的基准合金，临界裂纹可小至1µm。表面开口裂纹因几何因子（如边缘裂纹因子1.12）会进一步放大局部KI。工艺孔隙虽更大，但圆钝形貌导致的应力集中较低。补充图S4–S6显示，微孔优先在富析出相区萌生，并形成尖锐微裂纹网络，最终驱动断裂；断口分析（补充图S11）证实裂纹主要沿这些区域扩展。

　　综上，本工作系统阐明了AM Al-Zr-Er-Ni合金的力学性能与损伤机制，为今后在关键领域应用该类“打印态”高塑性合金提供了设计框架与数据支撑。