輕質(zhì)、高強(qiáng)度鋁合金在工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。然而，大多數(shù)市售的高強(qiáng)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(shù)前沿注意到，來(lái)自普渡大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)選擇性激光熔化技術(shù)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(cè)試顯示該合金兼具超過(guò)700MPa的高強(qiáng)度和顯著的塑性變形能力。微柱壓縮測(cè)試顯示所有區(qū)域都存在顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)力甚至超過(guò)900MPa。變形后分析顯示，除了鋁基體中存在豐富的位錯(cuò)活動(dòng)外，在單斜晶系A(chǔ)l9Co2型脆性金屬間化合物中也形成了復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和堆垛層錯(cuò)。這項(xiàng)研究表明，適當(dāng)引入異質(zhì)微結(jié)構(gòu)和納米尺度的中熵金屬間化合物為通過(guò)增材制造設(shè)計(jì)超強(qiáng)、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(gòu)
納米級(jí)金屬間化合物的形貌和成分
原子探針斷層掃描 (APT) 分析
微柱壓縮試驗(yàn)揭示的微尺度機(jī)械性能
鋁合金在航空航天和汽車行業(yè)中被廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。為了滿足工業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜幾何約束，選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)越來(lái)越多地被用于制造鋁合金部件，提供了高度的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度鋁合金，如AA 6061和AA 7075，在增材制造過(guò)程中天生就容易發(fā)生熱裂。
一種緩解高強(qiáng)度Al合金在增材制造過(guò)程中熱裂紋問(wèn)題的方法是引入細(xì)小且堅(jiān)硬的顆粒。 這些顆粒可以通過(guò)外部接種（例如TiN、TiC、TiB2）或時(shí)效引入（如Al3Zr、Al3Sc、Al2Cu），它們可以通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)鋁合金。 盡管有這些研究，但通過(guò)增材制造得到的Al合金的最高強(qiáng)度仍然處于300–500MPa的范圍內(nèi)。 通過(guò)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(qiáng)度鋁合金方面取得了一些成功，但這些情況下高強(qiáng)度主要來(lái)源于顯著的晶粒細(xì)化至納米尺度。 然而，兼具高強(qiáng)度和變形性的超強(qiáng)3D打印鋁合金尚未被發(fā)現(xiàn)。
過(guò)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?yàn)橄惹暗蔫T造經(jīng)驗(yàn)表明，添加過(guò)渡元素往往會(huì)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(duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)（單斜晶系），因此在室溫下被認(rèn)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(jī)械強(qiáng)度，但塑性變形能力和變形機(jī)制仍不清楚。
在這項(xiàng)工作中，選擇了包括Co、Fe、Ni和Ti在內(nèi)的幾種過(guò)渡金屬元素來(lái)生產(chǎn)金屬間化合物增強(qiáng)的增材制造鋁合金。通過(guò)激光粉末床融合（LPBF）技術(shù)定制了一種Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金。該合金具有納米級(jí)金屬間化合物的玫瑰花狀結(jié)構(gòu)，其宏觀工程壓縮強(qiáng)度超過(guò)800MPa，并且具有20%的塑性。微柱壓縮測(cè)試表明，這些精細(xì)的玫瑰花狀區(qū)域可以達(dá)到近1.0GPa的微觀壓縮強(qiáng)度和至少15%的塑性。
這種高強(qiáng)度和塑性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，源于通過(guò)異質(zhì)金屬間化合物納米層狀界面所容納的大量背應(yīng)力。此外，在中熵單斜晶系A(chǔ)l9(Fe,Co,Ni)2金屬間相中也觀察到了顯著的塑性。這項(xiàng)研究表明，適當(dāng)引入異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和納米級(jí)中熵金屬間化合物為通過(guò)增材制造設(shè)計(jì)超強(qiáng)可變形鋁合金提供了替代解決方案。
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