通过激光粉末床熔融技术制备的一种新型超强无稀土Al-5Co-5Si合金的微观结构形成及其力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure formation and mechanical properties of a novel ultra-strong rare-earth-free Al-5Co-5Si alloy fabricated by laser powder bed fusion

激光粉末床熔融（LPBF）制备低成本无稀土Al-5Co-5Si合金，通过优化工艺参数和再熔化处理显著提升材料性能。研究发现再熔化使相对密度从99.82%增至99.97%，孔隙缺陷减少，晶粒从柱状转向等轴状，抗拉强度达520 MPa，抗压强度提升至983 MPa并实现31.36%压缩应变，主要归因于Al9Co2异质变形诱导强化机制和细晶强化效应。

　　

任学鹏|蒋哲|侯若松|于遵月|庞彦军|任书斌|曲宣辉|陈建浩

北京先进材料基因组工程创新中心，北京科技大学先进材料与技术研究院，北京100083，中国

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术在金属增材制造中得到广泛应用，但用于LPBF的高性能铝合金要么强度较低（例如Al-Si基合金），要么成本较高（例如Sc/Zr改性和某些含稀土的合金）。本研究探讨了不含稀土元素且成本效益高的Al-5Co-5Si合金的LPBF制备工艺，并研究了工艺参数对其孔隙率、微观结构和力学性能的影响。结果表明，重熔将相对密度从99.82%提高到99.97%，减少了孔隙缺陷，并细化了晶粒结构。重熔后，微观结构从原始状态下的柱状晶粒转变为主要为等轴晶粒。与原始样品相比，重熔样品的极限抗拉强度（UTS为520 MPa）、极限抗压强度（UCS为983 MPa）和抗压应变（31.36%）均显著提高（原始样品的UTS为447.9 MPa，UCS为881.75 MPa，抗压应变为28.98%）。优异的抗压性能主要归因于异质变形诱导（HDI）强化机制，其中Al₉Co₂金属间化合物颗粒阻碍了位错运动并促进了晶粒细化。这些发现凸显了LPBF在制备具有优异强度和抗压性能的高性能铝合金方面的潜力，适用于工业应用。

引言

金属增材制造（AM）彻底改变了复杂形状组件的制造方式，提供了与传统减材制造方法相比无与伦比的设计灵活性和生产效率[1]、[2]、[3]、[4]。在各种AM技术中，激光粉末床熔融（LPBF）技术尤为突出[5]、[6]、[7]。该技术利用高能激光束依次熔化金属粉末层，能够生产出尺寸精度高的近净形零件。LPBF特别适用于快速凝固，其冷却速率可达10²至10⁶ K/s[8]、[9]、[10]。这种快速冷却细化了微观结构并提升了力学性能——这些特性通过传统的铸造或锻造工艺难以实现。

铝合金以其低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性而闻名，在汽车、航空航天和交通运输等行业中至关重要，这些领域对减重和性能优化有严格要求[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。近年来，LPBF在铝合金中的应用日益增多，利用其快速凝固的优势克服了传统加工方法的局限性，如粗大的微观结构或较差的力学性能[16]、[17]、[18]。然而，开发适用于LPBF的高性能铝合金仍面临挑战。现有的商业合金（如Al-Si系列，例如AlSi10Mg、AlSi12）由于其良好的打印性能而被广泛用于LPBF。但这些合金的拉伸性能有限，极限抗拉强度（UTS）低于380 MPa，伸长率低于6%[8]、[19]、[20]。

相比之下，添加高成本合金元素（如Sc、Zr和其他稀土元素）的先进铝合金可以表现出更好的力学性能。然而，相关的成本可能限制其大规模工业应用。Martin等人[13]采用LPBF工艺制备了Al7075合金，并向合金中添加了1体积%的纳米ZrH₂颗粒。这些纳米颗粒通过调整凝固过程促进了细小等轴晶粒的生长，从而缓解了裂纹和粗大柱状晶粒的问题。然而，改性合金的屈服强度（YS）仅为349 ± 24 MPa，极限抗拉强度（UTS）为400 ± 17 MPa，伸长率为4.6%。Jiang等人的另一项研究[21]通过双辊铸造制备了Al-6%Mg-0.3%Sc（重量百分比）合金。合金中沉淀出了两种纳米析出物：细小的（<10 nm）Al₃Sc和较大的（>10 nm）核壳结构Al₃(Mg, Sc)₂/Al₃Sc。细小析出物增强了合金的强度，而较大析出物有效抑制了氢脆（HE）。该合金的最大抗拉强度仅为360 MPa。Sun等人[22]通过LPBF制备了不含Sc的Al-3.8Mg-1.76Er-0.52Zr合金。通过Er和Zr元素原位形成L1₂结构的Al₃Er和Al₃(Er, Zr)纳米析出物，并结合晶粒细化强化（形成由约0.8 μm等轴晶粒和2-10 μm柱状晶粒组成的双模态晶粒结构），该合金在室温下的抗拉强度仅为329-340 MPa。除了成本考虑外，多元素合金设计的复杂性也是一个实际限制。例如，Shang等人[23]通过LPBF制备了Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金，形成了包含纳米级金属间化合物（如Al₉(Fe, Co, Ni)₂和Al₃Ti）的异质微观结构。熔池中心呈现粗大的玫瑰花结状结构，熔池边界处呈现细小的玫瑰花结状结构。该合金的宏观抗压强度约为900 MPa，塑性约为22%。在微柱测试中，细晶区域的强度接近1 GPa。主要的强化机制归因于异质变形诱导（HDI）强化以及金属间化合物中的层错。

总之，成本效益与强度之间的不一致性限制了铝合金的当前应用。尽管Shang[23]开发的Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金具有良好的抗压性能，但添加多种元素增加了原材料成本和制造过程的复杂性。在本研究中，我们专注于我们设计的Al-5Co-5Si合金的LPBF制备，旨在探讨工艺参数对孔隙率特征、微观结构演变和力学性能的影响。先前的研究表明，重熔可以显著提高样品的相对密度[24]、[25]。具体来说，我们表征了Al-5Co-5Si粉末的形态和均匀性，优化了LPBF参数以获得高密度样品，并使用先进的表征技术（XRD、SEM、EBSD、TEM）比较了原始状态和重熔状态下的微观结构特征（如晶粒形态、相组成和位错密度）。此外，还进行了拉伸和压缩测试以评估合金的力学性能。

本工作的意义体现在两个方面：（1）它研究了LPBF用于不含稀土元素的低成本Al-5Co-5Si合金的可行性，并揭示了重熔在优化其微观结构和性能中的作用；（2）它提供了关于快速凝固/重熔诱导的微观结构与力学行为之间关系的见解，为开发高性能、经济可行的LPBF应用铝合金奠定了基础。

材料

由于其独特的成形工艺，LPBF具有极高的冷却速率（约10²-10⁶ K·s^-1）[8]、[9]、[10]。因此，凝固路径对于确定晶粒结构和裂纹敏感性至关重要。正如Thermo-Calc预测的（图1a），当Co含量超过约1 wt.%时，Al₉Co₂首先在凝固过程中沉淀。早期形成的金属间化合物可以作为有效的异质成核位点，不仅促进了柱状晶粒的转变

LPBF的工艺可行性

补充材料中的图S1和S2展示了原始状态和重熔状态下的Al-5Co-5Si合金的孔隙分布和相对密度。相对密度分布的等高线图见图5。结果表明，原始样品的最大相对密度为99.82%，而重熔样品的最大相对密度为99.97%。此外，原始状态和重熔状态下的工艺窗口结果也有所差异

工艺参数对微观结构的影响

如相对密度图和相对密度等高线图（图S1–S2和图5）所示，LPBF制备的Al-5Co-5Si合金的缺陷对能量输入非常敏感。在研究的工艺窗口内，当体积能量密度（E=P/vht）过高时，孔隙的形成主要由关键孔模式不稳定性控制，其中后坐压力和关键孔塌陷会产生近似球形的气孔，随后被快速凝固所捕获[31]。因此，在

结论

本研究系统地研究了通过LPBF制备的无稀土元素低成本Al-5Co-5Si合金及其孔隙率、微观结构演变和力学性能的影响，主要发现总结如下：

• 1.
  重熔过程显著提高了Al-5Co-5Si合金的相对密度并减少了孔隙缺陷。原始样品的最大相对密度达到99.82%，而重熔样品的相对密度更高

CRediT作者贡献声明

蒋哲：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。 任学鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，正式分析，数据管理。 曲宣辉：监督，资源提供。 陈建浩：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。 于遵月：方法论，研究，数据管理。 侯若松：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。 任书斌：监督，软件，资源提供，项目管理，资金筹集，概念化。 庞彦军：

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

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52374365）和中央高校基本科研业务费（FRF-BD-25-045）的财政支持。