呂堅院士/毛新平院士等MT封面文章：采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術打印超高強鋁合金

2024年7月18日，南極熊注意到，由香港城市大學呂堅院士領銜，聯(lián)合北京科技大學毛新平院士、南方科技大學朱強教授、昆士蘭大學張明星教授及寶航新材料公司等頂尖團隊，在高性能鋁合金的研發(fā)上取得了重大突破。該研究團隊采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術，成功制備出具有超細異質(zhì)結構與納米級面缺陷強化的Al-4.71Mg-0.85Mn-1.28Sc-0.56Zr合金材料，這一成果標志著鋁合金增材制造技術邁上了新的臺階。

該合金材料在熱處理后展現(xiàn)出卓越的性能指標，屈服強度高達656 MPa，同時保持了7.2%的延伸率，這一數(shù)據(jù)不僅刷新了L-PBF技術生產(chǎn)的鋁合金強度記錄，也展示了其優(yōu)異的綜合力學性能。這一創(chuàng)新成果Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects已作為封面文章發(fā)表在頂尖學術期刊Materials Today上（影響因子：21.1），引起了學術界與工業(yè)界的廣泛關注。

在當前“雙碳”戰(zhàn)略背景下，市場對輕質(zhì)高強材料的需求日益增長，特別是在航空航天、汽車及國防等關鍵領域。傳統(tǒng)鋁合金增材制造受限于材料性能與工藝復雜性，難以滿足高端應用的需求。本研究團隊另辟蹊徑，以高Mg含量的5083鋁合金為基礎，通過精細調(diào)控合金成分與工藝參數(shù)，成功在鋁基體中引入了納米級面缺陷，包括層錯、孿晶界及9R相等，這些缺陷作為有效的強化機制，提升了合金的力學性能。尤為值得注意的是，研究團隊通過“邊邊匹配”模型晶體學計算，精確選定了與Al基體匹配度最佳且熱力學穩(wěn)定的L12型Al3Sc相作為細化晶粒的關鍵。同時，為防止熱處理過程中析出相粗化，引入了熱擴散速率較慢的Zr元素，形成了復雜的Al3(Sc,Zr)相作為異質(zhì)形核基底，進而在打印中促進晶粒細化與抑制裂紋。

實驗結果顯示，打印態(tài)下的鋁合金展現(xiàn)出獨特的三模態(tài)晶粒結構，由超細等軸晶、細等軸晶及細小柱狀晶共同構成，這一分層異質(zhì)結構主要歸因于Al3(Sc,Zr)顆粒在材料內(nèi)部的不均勻析出。深入的微觀組織分析進一步揭示了納米級層面的面缺陷，包括高密度層錯、孿晶界以及9R相的存在。此打印態(tài)合金屈服強度達到約461 MPa，同時保持約21%的延伸率。

為了進一步提升其沉淀強化效果，研究團隊采用了直接時效熱處理工藝，即在300攝氏度下處理4小時，以促進更多納米級強化相的析出。值得注意的是，熱處理不僅增強了強化效果，還成功保留了打印態(tài)組織中原有的納米級面缺陷及三模態(tài)晶粒異質(zhì)結構，這一雙重作用賦予了合金優(yōu)異的綜合性能——既具備超高的屈服強度（約656 MPa），又保持了優(yōu)異的塑性（約7.2%）。這一熱處理后的合金性能，顯著超越了目前已知的大多數(shù)增材制造高強鋁合金及鍛造鋁合金的屈服強度記錄。

香港城市大學-南方科技大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生李干為論文第一作者，寶航新材料趙春祿為論文共同第一作者，通訊作者為香港城市大學呂堅院士，南方科技大學朱強講席教授，昆士蘭大學張明星教授與北京科技大學黃禹赫博士。展望未來，研究團隊表示將繼續(xù)優(yōu)化合金成分與工藝路線，以期實現(xiàn)3D打印塊狀鋁合金更高力學性能的突破，使之在未來制造業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用。同時，他們也將積極探索該技術在其他高性能材料開發(fā)中的應用潛力，為增材制造技術的持續(xù)進步貢獻力量。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006