導讀：本文采用選擇性激光熔化(SLM)法制備了AlNi6TiZr合金。通過分析不同過程參數下打印樣品的打印質量和力學性能，得到了AlNi6TiZr的激光熔化法下的成形窗口。Z 270 W-1100 mm/s，激光能量密度為82 J/mm3下的打印樣品相對密度達到99.7%，展現其具有優異的力學性能(屈服強度(YS): 421.7 MPa；極限抗拉強度(UTS): 480.4 MPa)。經過325℃，12 小時的時效處理后，樣品的屈服強度和極限抗拉強度分別提高到494 MPa和550.7 MPa。Ni、Ti、Zr組分的加入促進了鋁合金中多相析出相的生成，提高了多相的協同強化效果。Al3 Ni相在晶界處形成的硬殼組織(HSS)顯著增強了晶界強度。晶界處析出的Al3(Ti, Zr)相阻礙了晶粒的生長和位錯的移動。Al3Ni和Al3(Ti, Zr)相具有良好的熱穩定性，在高溫下仍能保持優異的增強效果。AlNi6TiZr合金在中高溫環境中具有廣闊的應用前景。

增材制造(AM)作為一門新興技術，因其具有部件結構設計靈活、加工精度高、材料利用率高等優點而受到廣泛關注。與其他傳統加工方法相比，增材制造技術可以制造出結構更復雜、性能更高的零件。其中，選擇性激光熔化(SLM)技術是發展前景最好的增材制造技術之一，它利用高功率激光束，對金屬粉末進行局部熔化并逐層堆疊，從而制造出具有高精度尺寸、優異力學性能的零件。由于其獨特的冶金性能，選擇性激光熔化（SLM）零件與常規加工方法制備的零件存在明顯的顯微組織方面和力學性能方面的差異。建立材料、微觀組織和力學性能之間的聯系是選擇性激光熔化零件推廣應用的關鍵。

鋁合金具有密度低、力學性能優良、耐腐蝕等特點，因此在航空航天和汽車領域得到了廣泛的應用。然而，由于紅外激光的流動性差、反射率高，在選擇性激光熔化法打印過程中會產生氣孔和熱裂缺陷。為了提高選擇性激光熔化法下鋁合金的質量，研究人員開始對鋁合金改善的構成結構。目前，大多數選擇性激光熔化法下鋁合金僅限于共晶或近共晶鋁硅合金，如AlSi7Mg和AlSi12。鋁硅合金具有良好的流動性和低的熱裂傾向，有利于制造致密的零件。但鋁硅合金高溫組織不穩定(富硅相斷口)，其高溫性能有待進一步提高。為了使打印出來的鋁合金既具有較高的抗拉強度又具有良好的耐熱性，開發新型耐熱鋁合金已成為研究熱點。    

為了滿足選擇性激光熔化快速凝固和耐熱鋁合金的要求，本研究設計了一種新的AlNi6TiZr合金成分，并成功地利用選擇性激光熔化法制備了具有優異力學性能和熱穩定性的合金樣品。本文詳細討論了該合金多相協同強化的機理，提出AlNi6TiZr合金有望為高強度鋁合金的設計提供有效參考，而且能夠進一步促進實現該合金的推廣應用。

燕山大學的相關研究以“Microstructure, mechanical properties and multiphase synergistic strengthening mechanisms of a novel laser additive manufactured AlNi6TiZr alloy”為題發表在Journal of Material Science & Technology上。    

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022300782X

圖1.AlNi6TiZr合金粉末:(a) SEM形貌;(b)粒徑分布。

圖2.不同SLM工藝參數下AlNi6TiZr合金的SEM孔隙率分布。    

圖3.打印工藝參數與試樣相對密度的關系。

圖4.AlNi6TiZr合金的顯微組織:(a)試樣側面;(b)試件的中表面;(c) Al， (d) Ni， (e) Ti， (f) Zr元素分布特征;(g) AT試樣(325℃-12 h)的顯微組織。

圖5. AB試樣AlNi6TiZr合金的晶粒形貌、晶界分布和晶粒尺寸分布:(a-c);(d-f)為時效處理的標本。    

圖6.AB合金的透射電子顯微鏡（TEM）圖像:(a)單激光熔池邊界;(b)激光熔池邊界處的細晶粒區;(c)激光熔池中心區的粗粒區;(d, e)位錯堆積和位錯細胞;(f)單個錯位細胞。

圖7.AT合金的TEM圖像:(a)晶粒圖;(b)粒度統計圖;(c)單個顆粒的圖像。

圖8.325℃不同熱處理時間下AlNi6TiZr合金的拉伸性能:(a)應力-應變曲線;(b) AB和AT試樣的強度和伸長率比較。

圖9.AlNi6TiZr合金的斷口形貌為(a-c) AB狀態和(d-f) at – 12小時狀態。  

圖10.AlNi6TiZr合金高溫拉伸性能:(a)應力-應變曲線;(b)強度與伸長率比較;(c-e) AlNi6TiZr合金高溫拉伸斷口形貌。          

圖11. 325℃時效不同時間后AlNi6TiZr合金的顯微硬度:(a)中間表面;(b)側面;(c)平均顯微硬度比較。              

圖12.AB試樣和AT試樣的X-ray diffraction(XRD)譜圖。右上圖為紅色虛線框部分的特寫。          

圖13. HAADF-STEM下AB試樣元素分布圖:(a)合金暗場圖像;(b)基地;倪(c);(d)毫克;(e)如果;(f) Zr型;(g)鈦;(h) Mg2Si相元素點掃描結果。              

圖14. HAADF-STEM下AT試樣元素分布圖:(a)合金暗場圖像;(b)鋁 (c)鎳;(d)鎂;(e)硅;(f)鋯 ;(g)鈦;(h) Al3(鈦、鋯)相元素線掃描結果。          

圖15. AB樣品的相分布及鑒定:(a) Mg2Si和Al3Ni相的TEM圖;(b) Al3Ni相;(c) Mg2Si相和α-Al;(d)單粒TEM圖像;(e) α-Al和Al3Ni相;(f) α-Al的衍射圖;(g) Al3Ni相的衍射圖。   

圖16. AT合金的相分布及鑒別:(a) Al3(Ti, Zr)相的分布特征;(b) Al3Ni相;(c) α-Al和Al3(Ti, Zr)相。

結論:

（1）AlNi6TiZr合金具有優異的抗裂性能和選擇性激光熔化適應性。在270 W-1100 mm/s下制備的樣品具有較高的相對密度(99.7%)。

（2）時效處理后，AlNi6TiZr合金試樣的平均晶粒尺寸由1.30 μm增大到1.33 μm，表現出良好的熱穩定性。時效處理過程中，由于Al3Ni相的硬殼結構和Al3(Ti, Zr)在晶界上的釘扎效應，晶粒生長受到抑制。

（3）SLMed AlNi6TiZr合金具有優異的力學性能(屈服強度: 421.7 MPa, 極限抗拉強度: 480.4 MPa, FE: 8.5%)。經325℃下12 小時后，合金的力學性能進一步提高(屈服強度: 494 MPa, 極限抗拉強度: 550.7 MPa,斷裂延伸率: 9.7%)。在斷口形貌上觀察到大量圓形和橢圓形的韌窩，表明斷裂方式為韌性斷裂。

（4）AlNi6TiZr合金在200°C和250°C時的抗拉強度分別下降27.1%和44.9%。但與其他SLMed耐熱鋁合金相比，AlNi6TiZr在中溫條件下仍具有優異的力學性能。