輕質(zhì)、高強度鋁合金在工業(yè)應用中廣泛使用。然而，大多數(shù)市售的高強度Al合金，如AA 7075，由于其高度易于產(chǎn)生凝固裂紋，不適合增材制造。增材制造技術前沿注意到，來自普渡大學、伊利諾伊大學、洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員于日前在nature communications雜志發(fā)表了題為“ Additive manufacturing of an ultrastrong, deformable Al alloy with nanoscale intermetallics ”的文章。

www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4

在這項工作中，研究人員通過選擇性激光熔化技術制造了一種定制的鋁合金——Al92Ti2Fe2Co2Ni2，合金中形成了異質(zhì)納米尺度的中熵金屬間化合物層片。宏觀壓縮測試顯示該合金兼具超過700MPa的高強度和顯著的塑性變形能力。微柱壓縮測試顯示所有區(qū)域都存在顯著的背應力，某些區(qū)域的流動應力甚至超過900MPa。變形后分析顯示，除了鋁基體中存在豐富的位錯活動外，在單斜晶系Al9Co2型脆性金屬間化合物中也形成了復雜的位錯結(jié)構和堆垛層錯。這項研究表明，適當引入異質(zhì)微結(jié)構和納米尺度的中熵金屬間化合物為通過增材制造設計超強、可變形Al合金提供了一種替代方案。

激光打印的Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的微觀結(jié)構

納米級金屬間化合物的形貌和成分

打印態(tài)的Al92Ti2Fe2Co2Ni2TEM表征

原子探針斷層掃描 (APT) 分析

壓縮試驗下的宏觀機械性能

微柱壓縮試驗揭示的微尺度機械性能

粗玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機制

細玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機制

鋁合金在航空航天和汽車行業(yè)中被廣泛用作結(jié)構材料。為了滿足工業(yè)應用的復雜幾何約束，選擇性激光熔化（SLM）技術越來越多地被用于制造鋁合金部件，提供了高度的設計靈活性。目前大多數(shù)研究主要集中在近共晶Al-Si和Al-Si-Mg合金上。這些合金具有中等強度但極好的熱裂抗性，使其成為3D打印的良好候選材料。相比之下，高強度鋁合金，如AA 6061和AA 7075，在增材制造過程中天生就容易發(fā)生熱裂。

一種緩解高強度Al合金在增材制造過程中熱裂紋問題的方法是引入細小且堅硬的顆粒。 這些顆粒可以通過外部接種（例如TiN、TiC、TiB2）或時效引入（如Al3Zr、Al3Sc、Al2Cu），它們可以通過阻礙位錯運動來增強鋁合金。 盡管有這些研究，但通過增材制造得到的Al合金的最高強度仍然處于300–500MPa的范圍內(nèi)。 通過劇烈的塑性變形（如高壓扭轉(zhuǎn)和累積疊軋）或冷凍研磨后粉末固結(jié)等方法在制造高強度鋁合金方面取得了一些成功，但這些情況下高強度主要來源于顯著的晶粒細化至納米尺度。 然而，兼具高強度和變形性的超強3D打印鋁合金尚未被發(fā)現(xiàn)。

過渡金屬間化合物，如Al-Fe、Al-Co和Al-Ni，在增材制造鋁合金中通常被避免使用，因為先前的鑄造經(jīng)驗表明，添加過渡元素往往會形成大而脆的金屬間化合物。這些金屬間化合物，如Al9Co2、Al13Fe4，具有低對稱性的晶體結(jié)構（單斜晶系），因此在室溫下被認為是脆性材料。然而，最近的研究表明，添加少量的Fe或Ni可以提高Al合金的機械強度，但塑性變形能力和變形機制仍不清楚。

在這項工作中，選擇了包括Co、Fe、Ni和Ti在內(nèi)的幾種過渡金屬元素來生產(chǎn)金屬間化合物增強的增材制造鋁合金。通過激光粉末床融合（LPBF）技術定制了一種Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金。該合金具有納米級金屬間化合物的玫瑰花狀結(jié)構，其宏觀工程壓縮強度超過800MPa，并且具有20%的塑性。微柱壓縮測試表明，這些精細的玫瑰花狀區(qū)域可以達到近1.0GPa的微觀壓縮強度和至少15%的塑性。

這種高強度和塑性的同時實現(xiàn)，源于通過異質(zhì)金屬間化合物納米層狀界面所容納的大量背應力。此外，在中熵單斜晶系Al9(Fe,Co,Ni)2金屬間相中也觀察到了顯著的塑性。這項研究表明，適當引入異質(zhì)微觀結(jié)構和納米級中熵金屬間化合物為通過增材制造設計超強可變形鋁合金提供了替代解決方案。

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