《Materials & Design》：Pore-microstructure evolution and quantification of strengthening mechanisms contribution in laser powder bed fusion of AlMgScZr alloy
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本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)成形高性能AlMgScZr合金时，工艺参数、微观结构与宏观性能间的内在关联机制尚不明确这一核心问题，构建了一个涵盖“工艺-孔隙及微结构-性能”的全链条跨尺度关联框架。通过数值模拟、理论计算与实验表征相结合，系统揭示了体积能量密度(VED)对孔隙缺陷与微观组织演变的协同调控规律，并首次量化了各强化机制对材料强度的具体贡献。研究结果表明，在60–80?J/mm3的VED窗口内，可获得高达99%的相对密度；当VED为97.2?J/mm3时，粗晶区异常细化至2.10?μm；经热处理后合金的屈服强度达501?MPa，理论计算与实验结果误差仅为3.3%。该研究为LPBF高质量制造AlMgScZr合金提供了系统的理论指导。
在高端制造领域，尤其是航空航天，对兼具轻量化与高强度的金属部件需求日益迫切。传统的增材制造常用Al-Si合金，其抗拉强度已难以突破400?MPa的瓶颈。与此同时，极具潜力的Al-Mg系合金却因其较宽的凝固区间和在激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)极端非平衡条件下易产生热裂纹的“天性”，而令人望而却步。为此，科学家们将目光投向了通过微合金化改良的AlMgScZr合金——添加钪(Sc)和锆(Zr)不仅能有效抑制热裂，更能通过形成纳米级的Al3(Sc,Zr)析出相来钉扎晶界、细化晶粒，从而大幅提升强度。然而，LPBF制造AlMgScZr合金是一个涉及激光-物质耦合、熔池演化和非平衡凝固的复杂多物理场过程，工艺参数、微观缺陷、组织演变与最终性能之间的内在联系仍是一团迷雾。这种认知的缺乏严重制约了工艺窗口的精准优化和构件性能的可靠调控。为了拨开迷雾，来自湖南大学的研究团队在《Materials》上发表了一项系统性研究，他们构建了一个独特的跨尺度研究框架，旨在打通从工艺输入到宏观性能的全链条。
研究者们主要采用了三种关键技术方法来开展这项研究。首先，他们基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法，在COMSOL软件中建立了热-流耦合数值模型，以模拟LPBF过程中AlMgScZr合金熔池的热行为和流动行为，用于提取温度梯度(G)、凝固速率(R)等关键热力学参数。其次，他们设计了包含激光功率、扫描速度、扫描间距三个因素的正交实验，制备了16组不同体积能量密度(Volume Energy Density, VED)的块体样品。这些样品采用真空气体雾化法制备的Al-4.71Mg-0.86Sc-0.27Zr (wt.%)粉末，在Renishaw AM400设备上成形。最后，研究综合运用了阿基米德排水法测密度、数字显微硬度计、电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)等多种表征手段，并结合拉伸试验，对样品的孔隙缺陷、微观组织、析出相分布及力学性能进行了全面的实验分析与理论计算。
4.1. VED主导的孔隙演化
研究表明，孔隙的形貌和数量强烈依赖于VED。在低VED（34.7 J/mm3）下，熔池温度低、粘度高、流动性差，熔体无法充分填充道间和层间间隙，导致大量不规则孔隙和凝固裂纹产生。当VED提升至60-80 J/mm3的“黄金窗口”时，熔池进入稳定的传导模式，强烈的马兰戈尼(Marangoni)对流形成具有高动能的涡流，既能推动气体逸出，又能使熔体充分流动，从而在孔隙形核、生长和脱气之间达到最佳平衡，获得高达99%的相对密度。然而，研究也发现，即使在此最优条件下，球状孔隙的形核仍无法完全避免，这被归因于纳米Al3(Sc,Zr)相对孔隙的异质催化作用，降低了形核能垒。当VED过高（>80 J/mm3，如97.2 J/mm3）时，金属蒸汽的剧烈挥发产生强大的反冲压力，导致熔池失稳，气体更容易被裹挟其中并长大合并，形成局部放大的球状孔隙和飞溅。
4.2. VED主导的微观结构演化
EBSD分析显示，所有样品均呈现LPBF材料典型的粗细晶（FG/CG）交替分布的 bimodal（双模态）结构。粗大的柱状晶(CG)沿最大热流方向外延生长，而细小的等轴晶(FG)则位于熔池边界和扫描道重叠区。VED通过调控凝固热力学参数（温度梯度G、凝固速率R）来影响晶粒演变。随着VED增加，G和R显著上升，高的冷却速率(G·R)促进了晶粒细化。特别值得注意的是，在VED达到97.2 J/mm3时，CG区发生了反常细化，平均尺寸降至2.10 μm。这归因于强烈的熔池流动产生的剪切应力使初级枝晶臂发生破碎，提供了更多的自由形核点，同时高的溶质过饱和度和纳米Al3(Sc,Zr)相的催化形核作用也促进了等轴晶的形成。此外，晶粒细化促进了位错的回复和重组，导致小角晶界比例降低，织构强度也随之减弱。
4.3. 孔隙与微结构共同控制的显微硬度
显微硬度的变化是缺陷抑制、晶粒调控和Al3(Sc,Zr)形成共同作用的结果。在低VED下，不规则孔隙和裂纹以及粗大的CG导致硬度较低。在最佳VED窗口（60-80 J/mm3）内，样品实现了最优的致密化、晶界网络优化以及纳米相的强化，显微硬度达到峰值。而在高VED下，放大球状孔隙的非均匀分布和Al3(Sc,Zr)相的局部偏聚，导致硬度曲线剧烈波动，均匀性最差。研究还发现，平行于构建方向（XY面）的硬度普遍高于垂直于构建方向（XZ面）的硬度，这反映了LPBF材料常见的力学性能各向异性。
4.4. AlMgScZr合金的强化机制
通过TEM和EDS分析，研究人员在热处理后的合金中清晰地观察到了作为主要强化相的、与α-Al基体共格的L12结构Al3(Sc,Zr)纳米析出相。Mg元素则以固溶原子形式存在于基体中，贡献固溶强化。此外，研究还发现了由Mg降低堆垛层错能以及在LPBF高应力作用下形成的纳米级堆垛层错(Stacking Faults, SFs)，这种面缺陷也能阻碍位错运动。
4.5. 强化机制的量化
研究团队对各项强化机制的贡献进行了精确定量计算。合金的屈服强度(σy)来源于本征强度(σ0)、晶界强化(σGB)、固溶强化(σSS)和析出强化(σPS)的叠加。其中，析出强化又包括Orowan绕过机制贡献(σOr)和模量硬化贡献(σMod)。基于实验测得的晶粒尺寸、析出相尺寸和体积分数等数据，理论计算得到的总屈服强度为518 MPa。这与热处理后样品实测的屈服强度501 MPa高度吻合，误差仅为3.3%，有力地验证了所提出的跨尺度关联框架及强化机制分析的有效性。
结论与意义
本研究成功构建了LPBF成形AlMgScZr合金的“工艺-孔隙及微结构-性能”跨尺度关联框架。主要结论包括：第一，VED在60–80 J/mm3范围内可实现孔隙抑制与高致密化（99%相对密度）的最佳平衡，而纳米Al3(Sc,Zr)相的异质催化作用使得球状孔隙的完全消除变得困难。第二，晶粒演化受凝固热力学参数、纳米粒子催化形核以及强剪切应力的协同调控，高VED可通过促进熔池流动和改变凝固模式使粗晶区发生反常细化。第三，显微硬度受缺陷、晶粒和析出相的综合调控，在最佳VED窗口达到峰值。第四，热处理后合金实现了强度与塑性的良好匹配（屈服强度501 MPa，延伸率14.8%），其强化主要归功于Al3(Sc,Zr)纳米析出相和Mg固溶原子，理论计算与实验结果的高度一致（误差3.3%）证实了强化机制量化模型的可靠性。
这项研究的重要意义在于，它不仅系统揭示了LPBF工艺参数通过熔池热流行为影响AlMgScZr合金多尺度结构（从孔隙到晶粒再到纳米析出相）的内在物理机制，而且首次在统一框架下量化了各强化机制的贡献份额。这为面向性能的高质量LPBF成形提供了可预测、可调控的理论基础与工艺指导，对于推动高性能铝合金在增材制造领域的应用具有重要的科学价值和工程意义。
