Al-Mg（-Sc）-Zr合金在選區(qū)激光熔化成形過程中柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變

供稿人:高云鵬 魯中良

金屬選區(qū)激光熔化（SLM）工藝有望改變金屬制造行業(yè)，特別是在常規(guī)制造中設(shè)計自由度和制造能力等方面都受到局限的領(lǐng)域。但是，當前用于SLM的輕金屬合金（包括鋁合金）的關(guān)鍵技術(shù)問題之一是，它們中的大多數(shù)在性能（例如屈服強度和伸長率）方面都存在顯著的各向異性，從而降低了零件設(shè)計的自由度。

而澳大利亞莫納什大學的研究團隊研究發(fā)現(xiàn)，通過向選區(qū)激光熔化成形的Al-Mg-Zr合金中添加1.08 wt％的Sc，可將粗大的柱狀晶粒改性為顯著細化的柱狀晶粒（如圖1及圖2所示）。

圖1 Al-Mg-Zr合金成形試樣的EBSD測試圖。（a）E = 77.1 J / mm3，預(yù)熱溫度溫度為35°C；（b）E = 154.2 J / mm3，預(yù)熱溫度為35°C；（c）E = 77.1 J / mm3，預(yù)熱溫度為200°C；（d）E = 154.2 J / mm3，預(yù)熱溫度為200°C。

圖2 Al-Mg-Sc-Zr合金成形試樣的EBSD測試圖：（a）E = 77.1 J/mm3，預(yù)熱溫度為35°C；（b）E = 154.2 J/mm3，預(yù)熱溫度為35°C；（c）E = 77.1 J/mm3，預(yù)熱溫度為200°C；（d）E = 154.2 J/mm3，預(yù)熱溫度為200°C。 為了比較，在（e）中以相同比例顯示了E = 154.2 J/mm3、預(yù)熱溫度為200°C的Al-Mg-Zr合金的EBSD圖。

他們使用相同的加工參數(shù)，通過選區(qū)激光熔化成形制造了添加和不添加Sc的Al-Mg-Zr合金。沒有Sc的合金顯示出大的柱狀晶粒，具有明顯的外延晶粒生長和晶間裂紋，而具有1.08 wt％的Sc的合金則沒有裂紋，并且在熔池邊界顯示出明顯細化的亞微米等軸晶粒。這是由于存在大量有效的Al3Sc作為形核質(zhì)點而促進了超細晶粒的形成。

圖3 圖2中以正方形標注區(qū)域的Al-Mg-Sc-Zr合金試樣EBSD測試圖。（a）E=77.1 J/mm3，預(yù)熱溫度為35°C；（b）E=154.2J/mm3，平臺溫度為35°C；（c）E=77.1J/mm3，預(yù)熱溫度為200°C；（d）E=154.2J/mm3，平臺溫度為200°C。

同時，他們還發(fā)現(xiàn)等軸晶粒的體積分數(shù)及尺寸對所施加的體積能量密度及預(yù)熱溫度具有較高的敏感性。當施加的能量密度和預(yù)熱溫度分別提高到154.2 J/mm3和200°C時，添加了Sc的合金能夠獲得幾乎完全等軸的晶粒結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。而這歸因于Sc的添加能夠降低溫度梯度，增加重熔區(qū)體積，并能實現(xiàn)有效的晶粒細化作用。

參考文獻：
Yang K V , Shi Y , Palm F , et al. Columnar to equiaxed transition in Al-Mg(-Sc)-Zr alloys produced by selective laser melting[J]. Scripta Materialia, 2018, 145:113-117. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.10.021

供稿人:高云鵬 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗