南科大逯文君团队合作在增材制造铝合金领域取得研究进展
2022年01月12日 科研新闻 浏览量 :2501

近日,南方科技大学机械与能源工程系助理教授逯文君团队、德国马普钢铁所教授Dierk Raabe团队和新加坡先进制造技术研究院高级研究员Sharon Mui Ling Nai团队在Materials Today联合发表论文,报道了一种通过选择性激光熔化(SLM)技术制备的兼具高强度、高韧性的铝合金材料。研究发现,通过SLM技术与适当的热处理工艺可促使铝合金同时具备晶粒多峰异质结构及双析出相纳米结构,并以此优化材料力学性能(屈服强度~647 MPa和断裂韧性~11.6%),使其成为迄今为止选区激光熔化综合性能最为优异的7000系铝合金材料。该类高强韧铝合金的成功研发为SLM技术在铝合金装备制造领域的推广提供了新途径。

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SLM制备技术通常可应用于高附加值复杂部件的快速制造(如航空航天和电动汽车应用的装载零件,其材料大多基于可焊接合金类型)。然而,铝合金作为工业生产中不可或缺的轻质合金材料却有着较高的激光反射率、较差的铺展性及高的表面氧化性,从而导致了其在SLM制备过程中易产生开裂等问题。其中,时效硬化型高强铝合金如7000系铝合金尤为明显。因此,如何应用SLM高效制备该类铝合金成为了亟需攻克的技术难点。有研究表明,添加Si、Sc、Zr或ZrH2可打印无裂纹的7000系列铝合金。然而,与传统铸造合金相比,通过SLM制备的铝合金的综合力学性能仍然处于较低水平。除此之外,SLM打印参数及后续热处理工艺对铝合金的微观结构影响机理尚不清楚,极大地限制了此类铝合金工程应用范围。

为此,逯文君及其合作者提出了一种适用于SLM工艺的新型铝合金成分设计:AlZnMgCuScZr,利用热处理工艺对其结构进行调控,得到了能同时拥有晶粒多峰异质结构与双析出相结构的微观组织,并最终优化其综合力学性能。通过球差扫描透射电镜与原位电镜技术对材料在不同温度下的微观组织变化进行细致表征,发现除了可用于晶粒细化(生成晶粒多峰异质结构)及防止裂纹生成的Al3(Sc,Zr)先析出相外,富含Mg、Zn和Cu的亚稳准晶相也可在晶界上大量析出。通过调整后续热处理参数,可促使准晶相溶解到基体中以及后续的时效析出强化型第二相(η')。同时在热处理过程中析出二次的Al3(Sc,Zr)纳米颗粒,形成η'和Al3(Sc,Zr)双析出相纳米结构。相关研究成果以题:Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation发表在国际高水平期刊Materials Today上。

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图1.(a)SLM制备技术简化图和(b)不同热处理工艺条件下的铝合金微观组织结构变化图。

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图2.SLM制备的铝合金在不同热处理工艺下的工程应力-应变曲线图与其他类型的铝合金性能对比图。针对打印态与退火态的铝合金材料微观组织结构的电镜分析图。

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图3.STEM模式下的原位加热表征图:准晶相的溶解机制及第二相的析出机制。

新加坡先进制造技术研究院博士后朱志光为论文第一作者,逯文君与Sharon Mui Ling Nai为论文共同通讯作者,南方科技大学与新加坡制造技术学院为共同通讯单位。该工作获得新加坡A*STAR结构金属项目、深圳市科技计划项目、南方科技大学测试中心的资助与支持。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019 


供稿:机械与能源工程系

通讯员:邓苏

主图:丘妍

编辑:朱增光


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