第一作者：劉德華；通訊作者：馬廣義

通訊單位：大連理工大學

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.05.071

01 全文速覽

對具有優異高溫力學性能的輕質鋁合金的低成本且高效率增材制造需求越來越大。在不改變合金化學成分的情況下，本文將激光-電弧復合增材制造工藝（LAHAM）與固溶+人工時效處理相結合，通過調控微觀結構實現Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學性能提升。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。

02 研究背景

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>340 K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。增材制造具有成形效率高、靈活性強等優勢，為復雜構件的制造帶來不可估量的好處。遺憾的是，因其高熱裂紋和氧化敏感性，激光粉末床熔化（LPBF）或電弧增材制造（WAAM）制備Al-Zn-Mg-Cu合金可能會產生裂紋、粗大晶粒及元素偏析等問題。

03 研究出發點

(1)  本文將激光-電弧復合增材工藝與熱處理相結合，通過調控微觀組織獲得了具有良好高溫強度的Al-Zn-Mg-Cu合金。

(2)  在473 K時，平均極限抗拉強度高達362 ± 20 MPa，伸長率為6.8% ± 0.3%。

(3)  η′析出相周圍存在晶格畸變和應變場，從而阻止位錯運動并提高抵抗滑移變形的能力。

04 圖文解析

利用三維XCT重構成形樣件內部缺陷，如圖1所示，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。

圖1 XCT重建的Al-Zn-Mg-Cu合金氣孔分布：（a）沉積態樣件；（b）熱處理態樣件；（c）沉積態（c）和熱處理態樣件（d）的等效直徑頻率分布；（e）等效直徑分布

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（圖2）。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。

圖2 沉積態樣件（a）和熱處理態樣件（b）的反極圖和極性圖；（c）晶粒尺寸分布；（d）晶界取向角分布

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（圖3）；而高密度的η′相分布在熱處理態樣件中（圖4）。沉積態Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫（473 K）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5）。

圖3 沉積態Al-Zn-Mg-Cu合金TEM分析：（a）共晶組織的HAADF圖像和元素分布；（b）TEM明場圖；（c）HRTEM圖；（d）FFT圖；（e）EDS元素面掃描

圖4 熱處理態Al-Zn-Mg-Cu合金的析出相：（a）BF-TEM圖；（b）HRTEM圖；（c）EDS元素面掃描；（d）放大的HRTEM圖；（e）FFT模式和η′析出相的元素組成

圖5 （a）高溫下沉積態和熱處理態樣件的工程應力-應變曲線；（b）對應的YS、UTS和斷后伸長率；（c）本文YS、斷后伸長率與文獻中性能的對比

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，473 K下擴散速率是室溫的~108倍。因此，熱處理態樣件暴露在473 K高溫拉伸條件下，原有的η′相發生溶解和粗化（圖6）。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（圖7）：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8）。

圖6 （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7 通過熱處理控制微觀組織示意圖：（a）沉積態樣件；（b）熱處理態樣件

圖8 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

05 總結與展望

在不改變Al-Zn-Mg-Cu合金化學成分的情況下，本文探究了利用LAHAM制備7系鋁合金的可行性，隨后的固溶處理和人工時效處理，有效提升了其高溫力學性能。通過多尺度微觀組織表征，揭示了高溫拉伸過程中析出相的演變、強度增強的機理。這些發現將為制備具有優異高溫力學性能的7系鋁合金提供一種有效的選擇。

06 課題組簡介

馬廣義，男，教授、博士生導師，大連理工大學機械工程學院副院長，遼寧省機械工程學會增材制造分會副理事長，全國專業標準化技術委員會委員（SAC/TC 562）；入選2023年度全球前2%頂尖科學家榜單（World’s Top 2% Scientists 2023）；主要研究方向為激光制造技術與智能化裝備、多能場復合激光增材制造（3D/4D打?。┰?、技術及其智能化；近五年，在Addit. Manuf.、Compos. B. Eng.、J. Mater. Sci. Technol.等SCI期刊發表論文110余篇，其中ESI高被引論文3篇、封面論文1篇；授權發明專利28項；研制出6類自主化增材制造裝置，實現了8類典型構件制造技術自主可控，成功應用于航天、能源等領域企業；獲江蘇省科學技術獎一等獎、上海市科技進步二等獎、全國發明展覽會金獎等。歡迎廣大學子和學者的交流與相互學習。

07 引用本文

D. Liu, D. Wu, Y. Wang, Z. Chen, C. Ge, Q. Zhao, F. Niu, G. Ma, Enhanced high-temperature mechanical properties of laser-arc hybrid additive manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy via microstructure control, J. Mater. Sci. Technol. 169 (2024) 220-234.