與目前常規Ti和Ni基高溫合金相比，能夠承受工作溫度>40%Tm（Al的熔點）鋁合金越來越受關注。作為可沉淀強化的輕質材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強度、高損傷容限和優異的可加工性能而被廣泛應用航空航天領域。但當其暴露在>340K溫度時，強度變得對溫度極度敏感。需要迫切考慮Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學性能，這對服役安全至關重要。

基于此，大連理工大學機械工程學院馬廣義、吳東江教授在不改變合金化學成分的情況下，利用“激光-電弧復合增材+熱處理”方式實現Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學性能提升。相關論文以題為“Enhanced high-temperature mechanical properties of laser-arc hybrid additive manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy via microstructure control”，發表在冶金頂級期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.071

利用三維XCT重構成形樣件內部缺陷，發現熱處理態樣件氣孔密度增加，一方面，殘余氫在熱運動下聚集并膨脹，形成孔隙；另一方面，大量的第二相溶解，其原位留下孔洞，表現為不規則的微孔。沿沉積方向截面上觀察到雙峰異質組織，即電弧區的柱狀晶和激光區的等軸晶。晶界取向角度差有兩種，包括低角度晶界（2°≤LAGB<15°）和高角度晶界（15°≤HAGB）。研究發現，沉積態試樣以LAGB為主，比例為52.7%，熱處理態樣件以HAGB為主，比例增加至75.2%。高溫處理下，LAGB亞晶界位錯在熱激活能和空位擴散機制下解離和滑移，使亞晶界向周圍晶界的遷移，導致從小角度到大角度轉變。少量的η相分布在沉積態樣件晶粒內部，大量的第二相以共晶組織形式聚集在晶界；而高密度的η′相分布在熱處理態樣件中。沉積態Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫（473K）抗拉強度為240 ± 15 MPa，而熱處理態高溫抗拉強度達到362 ± 20 MPa，斷后伸長率為6.8 ± 0.3%，該合金的綜合高溫力學性能優于大多數LBPF制備和WAAM制備的AlSi10Mg、Al-Cu及Al-Mg-Sc合金。

圖1激光-電弧復合增材Al-Zn-Mg-Cu合金缺陷-組織-性能演變規律

基于熱力學和動力學理論，計算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學性能演變機理。Zn和Mg元素擴散速率與溫度呈指數正相關，473K下擴散速率是室溫的~108倍。因此，熱處理態樣件暴露在473K高溫拉伸條件下，原有的η′相發生溶解和粗化。另外，位錯可借助高溫環境提供的熱激活能和空位擴散克服障礙，易產生位錯滑移與攀移，故熱處理態Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫強度顯著低于室溫強度。相較于沉積態樣件，熱處理態樣件高溫力學性能提升的原因包括兩方面：第一，HAGB由交替的無序和規則原子陣列組成，防止了位錯轉移到相鄰的晶界，故HAGB產生位錯攀升的障礙；第二，亞穩態η′沉淀相產生晶格畸變和應變場，阻礙位錯運動并增加抗滑移變形能力。

圖2（a）高溫拉伸實驗前熱處理態樣件TEM圖；（b）高溫拉伸實驗后熱處理態樣件TEM圖。

圖3（a）熱處理態樣件中η′相HRTEM圖；（b）圖（a）的逆FFT；（c）GPA分析應變（εxx）；（d）圖（c）沿箭頭方向提取的應變分布；（e）沉積態樣件η相的HRTEM和FFT圖；（f）GPA分析應變（εxx）；（g）圖（f）沿箭頭方向提取的應變分布。

圖4通過熱處理調控微觀組織示意圖：（a）沉積態樣件；（b）熱處理態樣件。