Er元素添加对激光粉末床熔融法制备的Al-Zn-Mg-Cu合金微观结构、机械性能和疲劳裂纹扩展行为的影响

《Materials Characterization》：Effect of Er addition on the microstructure, mechanical properties and fatigue crack growth behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy fabricated by laser powder bed fusion

　　

李德华|刘家军|钟宁|李胜利

中国海洋大学材料科学与工程学院，青岛266100，中国

摘要

本研究系统地阐明了稀土元素铒（Er）如何改变激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构、机械性能和疲劳裂纹扩展行为。铒的引入促进了Al₃(Er,Zr)相的沉淀，取代了传统的Al₃Zr相。这使得沉淀物密度增加了1.4倍，同时增强了晶界固定能力、提高了形核速率，并提升了热稳定性。铒通过减少缺陷和细化微观结构，显著提高了LPBF工艺的打印性能。具体来说，含铒合金的孔隙率显著降低，晶粒和细胞状结构得到细化，低角度晶界的比例增加。铒的添加还导致位错密度略有升高。在晶粒细化、沉淀强化和奥罗万强化（Orowan strengthening）这两种主要强化机制的共同作用下，经过直接时效处理的含铒合金达到了优异的机械性能，包括抗拉强度478 MPa、屈服强度409 MPa、维氏硬度183 HV2，以及2.56×10⁵循环的疲劳裂纹扩展寿命，表现出良好的综合性能。该研究通过精确控制沉淀物分布和晶界结构，实现了最佳的微观结构性能。此外，还揭示了铒添加和直接时效处理协同增强疲劳性能的机制。这些发现为通过LPBF工艺制备高疲劳抗性的含铒7xxx系列铝合金提供了科学基础和可行的热处理策略。