《Materials Science and Engineering: A》：Manipulating intergranular secondary phases via Y alloying to achieve crack-free additive manufacturing of high-strength aluminum alloys
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本研究通过Y合金化调控2A14-xY铝合金激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中的次生相，有效抑制裂纹形成。实验表明，Y含量增加（1.2%→2.0%）促进CuYSi富集相生成，抑制粗大Al?Cu相析出，晶粒尺寸从47.0μm细化至32.6μm，柱状晶占比提升至40.2%，裂纹密度显著降低。最终2A14-2.0Y合金获得445MPa抗拉强度和9.2%延伸率，证实次生相调控是抑制增材制造裂纹的有效策略。
刘涛|刘祖明|张莉|罗江斌|叶树鹏|江道远|周润星|莫培城|黄天星
中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙410083
摘要
高强度铝合金容易产生晶间凝固缺陷，这在激光增材制造（AM）过程中会导致严重的裂纹和有限的加工性能。本研究提出通过添加钇（Y）合金来调控晶间二次相（ISPs），从而抑制2A14-xY（x=1.2, 2.0 wt%）铝合金的裂纹形成。结果表明，添加Y合金可以促进CuYSi富集相的形成，从而减轻Cu的偏析并抑制粗大的Al?Cu相在晶界的形成。将PBF-LBed 2A14-xY铝合金中的Y含量从1.2%增加到2.0%，可以改变粗大Al?Cu相在晶界的形态，使其转变为细小的CuYSi富集相；柱状晶的比例从35.9%增加到40.2%，其长宽比从3.7增加到4.2；等轴晶的比例从22.7%减少到16.8%；平均晶粒尺寸从47.0 μm减小到32.6 μm。通过调控ISPs和细化晶粒，可以协同作用减少晶间凝固缺陷，最终消除裂纹。无裂纹的2A14-2.0Y合金表现出优异的机械性能，其极限抗拉强度达到445 MPa，伸长率为9.2%。本研究证明了调控ISPs是抑制裂纹的有效策略，并为开发用于AM的高强度铝合金提供了新的途径。
引言
通过增材制造（AM）制备的铝合金在航空航天、交通运输和其他先进工程应用中具有巨大潜力，因为它们能够集成形成复杂的轻质结构[1]、[2]。激光束粉末床熔融（PBF-LB）技术能够精确控制部件的几何形状，并允许制造出高尺寸精度的复杂零件[3]、[4]。利用这项技术在各种铝合金的研究和工业应用中取得了显著进展，显示出其广泛的技术前景[5]。然而，为传统铸造和变形加工（如轧制、锻造或挤压）开发的高强度铝合金并不适合非平衡凝固过程中出现的陡峭温度梯度和快速冷却速率。这种不匹配通常会导致AM过程中严重的裂纹[6]、[7]、[8]，从而限制了它们的应用。
近年来，在抑制增材制造（AMed）高强度铝合金的裂纹方面取得了显著进展。已经提出了三种主要策略来解决这个问题：优化AM加工参数[9]、[10]、[11]；引入细化晶粒的元素或纳米级二次相颗粒[12]、[13]、[14]；以及促进共晶形成[15]、[16]、[17]。通过优化加工参数可以调节熔池温度场和凝固速率，从而调整微观结构并减少沉积层中的残余应力。因此，可以有效减轻高强度铝合金在PBF-LB过程中的裂纹。在2195铝合金的PBF-LB加工中，降低扫描速度可以减缓凝固速率，为缺陷修复提供足够的时间，从而抑制裂纹的形成[18]。对于6061铝合金，采用层间暂停策略可以有效促进柱状晶向等轴晶的转变和晶粒细化，同时减轻热应力积累，从而显著减少AM裂纹[10]。添加过渡金属元素或纳米级二次相颗粒可以在凝固初期增加合金的生长限制因子，或生成与α-Al基体相协调的二次相，对裂纹抑制产生有益效果。向高强度铝合金中引入Sc、Zr、Ti、Ta和Nb等合金元素可以促进异质形核，抑制柱状晶的生长，从而降低裂纹敏感性[19]。向Al-Cu-Mg合金中添加TiB?或CaB?等纳米颗粒可以提供有效的异质形核位点，从而细化晶粒，促进柱状晶向等轴晶的转变，进而抑制PBF-LB过程中的裂纹[20]、[21]。在凝固的最后阶段形成的共晶可以提高液相填充由凝固和冷却收缩引起的空隙的能力，从而减轻凝固裂纹[22]、[23]。基于Al的共晶或近共晶合金系统（如Al-Si[24]、Al-Fe[25]、Al-Ce[26]、Al-La[27]和Al-Ni[28]）通常由于具有较窄的凝固温度范围和良好的熔融流动性，因此在AM过程中表现出较低的裂纹敏感性。在PBF-LB过程中对2024铝合金粉末进行原位合金化处理，加入Y元素粉末可以降低凝固脆性温度范围，减少裂纹敏感性指数，并细化Al-Cu-Mg-Y合金的晶粒，从而消除凝固裂纹[29]。现有的研究主要从热机械耦合、晶粒形态控制（如柱状晶向等轴晶的转变）和最终阶段的液相填充（通过增加低熔点相含量）等方面探讨了裂纹抑制机制。然而，这些解释大多停留在现象学层面，未能完全揭示AMed Al-Cu和其他高强度铝合金中裂纹抑制的内在机制。在AMed高强度铝合金中，裂纹主要分布在晶界（GBs）上，其形成和抑制与晶间二次相（ISPs）密切相关[30]。然而，在AM特有的快速凝固条件下，ISPs在裂纹形成和抑制中的作用尚未得到充分理解。因此，系统地阐明ISP类型、含量和分布对裂纹抑制的影响是减轻高强度铝合金AM过程中裂纹的关键科学问题。
2A14铝合金是一种典型的Al-Cu-Mg-Si合金，极易发生PBF-LB裂纹[30]。本研究提出了一种通过添加Y合金来调控ISPs的裂纹抑制策略，而不是传统的晶粒形态控制方法。Y合金促进CuYSi富集相的形成，这些相的凝固温度高于Al?Cu相，从而减轻了晶界的Cu偏析并抑制了粗大Al?Cu相的形成。因此，晶间孔隙显著减少，裂纹得到了有效抑制。这项工作表明，ISPs在裂纹抑制中起着决定性作用，为设计和开发用于AM的高强度铝合金提供了新的见解。
粉末和PBF-LB工艺
本研究旨在系统评估Y含量对PBF-LBed 2A14合金的裂纹敏感性、微观结构演变（特别是ISPs）和机械性能的影响，而不仅仅是优化合金成分。为此，特意选择了具有代表性的Y含量，以便清晰地从机制上比较二次相演变和裂纹行为。使用不同的Y含量（2A14-1.2Y和2A14-2.0Y，wt.%）制备了两种合金
裂纹和孔隙缺陷
图2显示了使用320–360 W激光功率和500–1300 mm/s扫描速度制备的铝合金的纵向截面（XZ平面）的显微组织和裂纹密度统计图。图2(a)展示了2A14-1.2Y合金的显微组织图像，所有样品中都观察到了裂纹和细小的球形孔隙。这些裂纹主要沿构建方向（Z轴）排列。类似的裂纹也在PBF-LBed 2024[32]和7075[33]铝合金中被观察到。
Y对PBF-LBed 2A14-xY合金微观结构演变的影响
根据XRD分析（图3）和TEM表征（图7和8），PBF-LBed 2A14-1.2Y合金主要由α-Al基体相、Al?Cu和CuYSi富集相组成，而PBF-LBed 2A14-2.0Y合金仅包含α-Al基体和CuYSi富集相，未检测到Al?Cu相。2A14合金主要由α-Al基体和Al?Cu相组成[30]。由于Y在Al中的最大平衡溶解度仅为0.03 wt%[46]，Y主要参与
结论
本研究系统研究了Y合金化对PBF-LBed 2A14-xY（x=1.2和2.0 wt%）合金中ISPs演变及其在裂纹抑制中的作用。Y合金化促进了CuYSi富集相的形成，这些相减轻了Cu的偏析并抑制了晶界处粗大Al?Cu相的形成，从而显著减轻了晶间凝固缺陷和裂纹。主要结论如下：
(1)Y合金化有效降低了裂纹敏感性
作者贡献声明
黄天星：正式分析。刘涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，正式分析，数据管理。刘祖明：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，方法学，资金获取，数据管理，概念构思。张莉：撰写 – 审稿与编辑，方法学，正式分析。罗江斌：撰写 – 审稿与编辑，方法学，正式分析。叶树鹏：方法学，正式分析。江道远：正式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国工程院的项目（授权号：2019-XZ-11和2023-XY-18）以及国家金属材料磨损控制与成型联合工程研究中心的开放基金（授权号：HKDNM201907）的支持。
