《Materials Science and Engineering: A》：Achieving the improvement of isotropic strength in the additively manufactured Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti alloy via heterogeneous nucleation and eutectic solidification
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高强铝合金通过激光粉末床熔融制备时存在固态收缩裂纹和粗大柱状晶，导致各向异性。本研究设计Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti新型合金，采用异质形核与共晶凝固调控协同策略，实现99.7%高相对密度和492/530 MPa各向同性屈服/抗拉强度。
李家博|王建英|王安静|朱梦珍|陶文|季守顺|杨海林
中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙410083
摘要
由于存在凝固裂纹和粗大的柱状晶粒，激光粉末床熔融（L-PBF）制备的高强度铝合金的各向同性力学性能受到严重损害，这些微观结构的各向异性导致了性能的不均匀。在这项工作中，为了实现各向同性的微观结构，我们采用引入晶核颗粒和调控共晶凝固的联合策略，制备了一种新型的Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金。该合金表现出优异的无裂纹加工性能，在体积能量密度（VED）为75.0 J/mm3时，相对密度达到了99.7%。合金的微观结构由超细的等轴α-Al晶粒、蜂窝状共晶结构以及L1?-Al?Ti初级颗粒组成。α-Al晶粒在水平方向的平均尺寸为1.07 μm，在垂直方向的平均尺寸为1.03 μm。初级α-Al相周围是蜂窝状共晶结构，主要由Mg?Si、S-Al?CuMg和MgZn?相构成，其尺寸在水平方向为0.94 μm，在垂直方向为0.82 μm。这种结构均匀性归因于在相干Al?Ti纳米颗粒上的广泛异质晶核形成，以及由于溶质积累导致的高生长限制因子（Q = 45.9 K）。精细且均匀的微观结构使得该合金在水平和垂直方向上都具有出色的各向同性拉伸性能，屈服强度和抗拉强度分别为492 MPa和530 MPa。因此，这些结果为通过增材制造制备无裂纹且各向同性的高强度铝合金提供了新的见解。
引言
激光粉末床熔融（L-PBF）是一种有前景的金属增材制造（AM）技术，可用于制造复杂的结构部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。铝合金在汽车、生物医学和航空航天行业具有特别的应用前景[6]、[7]、[8]。然而，L-PBF的固有特性，如快速凝固和极端的热梯度，常常导致凝固裂纹和柱状晶粒的出现[9]、[10]。与L-PBF兼容的铝合金种类仍然有限。虽然中等强度的Al-Si基合金显示出良好的打印性能[11]、[12]、[13]，但高强度铝合金（例如An-Zn-Mg-Cu（7xxxx）通常容易发生热裂纹。这归因于它们较差的焊接性能和宽的凝固温度范围，这些因素严重影响了它们的力学性能[14]、[15]、[16]。因此，迫切需要探索专门适用于L-PBF的高强度铝合金成分。
通过引入晶核颗粒实现晶粒细化和柱状晶粒向等轴晶粒的转变（CET），已被证明是消除L-PBF制备铝合金热裂纹的有效策略[17]、[18]、[19]、[20]。一项代表性研究证实，L-PBF制备的Al-Ni-Ti-Zr合金中的Al?(Ti,Zr)能够有效控制凝固行为并促进CET，从而抑制热裂纹的形成并接近达到全密度[20]。基于这一原理，其他研究也表明，向铝合金中添加TiB?、TiC或TiH?可以类似地促进L-PBF制备的铝合金的晶粒细化[21]、[22]。这种效果源于Al?Ti沉淀物的异质晶核作用和过饱和Ti溶质的高生长限制效应（Q = 45.9 K）。此外，通过预合金化形成固溶体晶核的元素，可以直接将晶粒细化策略融入成分调控中。成功的例子包括专门为增材制造开发的Scalmalloy?和Al–Mn–Sc体系[23]、[24]。得益于快速凝固过程中形成的细小等轴晶粒结构，这些增材制造的铝合金表现出优异的打印性能和增强的综合力学性能。
同时，研究表明，调控共晶反应已成为解决增材制造铝合金凝固裂纹问题的基本方法。共晶合金的狭窄凝固范围使其具有固有的抗裂纹能力，共晶反应产生的液相可以有效填充易发生裂纹的晶界区域[25]、[26]。最近的发展利用了Al-Si系列合金中的共晶填充机制来设计改进的L-PBF制备铝合金[27]、[28]、[29]。这些研究证实，共晶Si可以减少凝固间隔和裂纹敏感性，消除热裂纹并提高力学性能。类似的，接近共晶成分的Al–Fe、Al–Ce和Al–Ni体系也表现出显著的裂纹抑制能力[30]、[31]、[32]。研究人员还将晶粒细化和共晶凝固结合起来，设计特定的L-PBF制备铝合金，旨在同时解决裂纹问题并增强强度。例如，新型的Al-Ni-Ti/Sc/Zr和Al-Si-Sc/Zr体系展示了优异的综合力学性能[33]、[34]、[35]。
由于L-PBF特有的严重热梯度，导致产生的粗大柱状晶粒会引起热裂纹和铝合金的各向异性力学性能。尽管取得了这些进展，但将晶粒细化和共晶形成结合起来全面调控凝固的过程仍然不足，尤其是实现全面的各向同性控制尚未完全实现。为了解决这一挑战，我们设计了一种新型的Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金，并通过L-PBF制备了它。如图1所示，合金设计结合了两种典型的互补机制：（i）在初始凝固过程中原位形成L1?-Al?Ti晶核以促进晶粒细化和CET；（ii）在最终凝固阶段调控共晶形成以生成蜂窝状结构和强化沉淀物。这种协调的方法旨在消除凝固裂纹和各向异性，同时实现优异的力学性能。在研究了打印参数、相组成和水平和垂直方向的微观结构后，本文全面讨论了裂纹抑制、晶粒细化和强度增强的机制。这项工作不仅展示了通过L-PBF制造高强度铝合金的可行途径，还为设计具有定制微观结构和性能的下一代AM金属材料提供了一个新的框架。
材料制备
预合金粉末是通过高压气体雾化设备（HERMIGA100/20）生产的。粉末主要为球形，含有少量卫星颗粒（图2(a-c)），其尺寸分布呈正态分布，D??为31.8 μm。合金粉末的详细化学成分通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）确定，如表1所示。样品制备使用EP-M150金属3D打印机完成。
密度测量和缺陷特性
L-PBF制备的金属材料的相对密度主要由体积能量密度（VED）决定，其计算公式为[36]：VED = P / (v?h?t)其中P表示激光功率（W），v表示扫描速度（mm/s），h表示层间距（mm），t表示层厚度（mm）。图3(a)显示了在不同VED下Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金的相对密度。随着VED从59.5 J/mm3增加到75.0 J/mm3，相对密度最初增加并达到最大值Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti合金的打印性能
决定L-PBF制备合金裂纹敏感性和加工性能的凝固行为主要受成分控制。图11(a)使用Pandat软件模拟了Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金的凝固曲线。凝固顺序为L → Al?Ti → (Al?Ti+α-Al) → (Al?Ti+α-Al+Mg?Si) → (Al?Ti+α-Al+Mg?Si+MgZn?)，其凝固温度范围高达151.7 °C。一般来说，凝固温度范围越宽结论
在这项研究中，我们设计并成功制备了一种具有各向同性微观结构和力学性能的新型Al-5Mg-2Si-3Zn-1Cu-1.5Ti合金。系统研究了裂纹抑制机制、晶粒从柱状向等轴的转变（CET）以及力学性能。结论如下：
(1)所开发的Al-Mg-Si-Zn-Cu-Ti合金表现出优异的打印性能，在VED为75.0 J/mm3时，相对密度达到了99.7%的峰值。
CRediT作者贡献声明
王建英：研究、正式分析。李家博：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、研究、正式分析、概念构思。杨海林：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。季守顺：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。陶文：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、概念构思。朱梦珍：正式分析、概念构思。王安静：监督、正式
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢国家自然科学基金（授权号：52071343）的财政支持。
