導讀：現有的增材制造鋁合金由于其強化相粗化和晶粒細化而表現出較差的抗蠕變性能。本文報道了一種新型增材制造的Al-10.5Ce-3.1Ni-1.2Mn wt.%合金，它在300-400°C表現出優(yōu)異的抗蠕變性能。這種合金的抗蠕變性能歸功于高體積分數亞微米金屬間化合物(約35%)，這些強化相在350℃下可以抗粗化數百小時。研究結果表明，增材制造為抗蠕變鋁合金的發(fā)展提供了機會。

在鑄造文獻中，基于該體系的三元共晶合金具有較高的體積分數(>20%)的亞微米Al11Ce3和Al3Ni沉淀，它們在約400°C時具有抗粗化性能，有助于在約400°C時效后保持鑄態(tài)硬度。由于這種三元共晶體系顯示出在高溫應用方面的前景，因此被選擇用于AM研究，在AM研究中，共晶基合金的強度可以通過從高凝固速度中細化顯微組織來提高。作者將閾值應力的下降歸因于晶界顆粒的粗化和隨后降低的釘扎效果所導致的晶界滑動。Al-2.9Mg-2.1Zr合金中含有亞微米直徑(~ 0.8 μm)的等軸晶區(qū)，由此產生的高密度晶界也可能導致晶界滑動。

狹窄的凝固溫度范圍和大體積分數的終端共晶填充起始站點的枝晶間區(qū)域熱撕裂[13]。這些合金主要以Al-Ce共晶體系為主，也包括以Al-Ni[、Al-Fe和Al-Cu共晶體系為主的合金。除了固有的抗熱裂性，快速凝固與增材處理相結合細化了這些合金的共晶組織，導致室溫力學性能可與AM Al-Si-(Mg)相媲美。例如，制備的二元AM Al-5.7Ni (wt.%)和Al-10Ce (wt.%)合金的室溫屈服強度分別為278±5 MPa和222±2 MPa，而制備的AM Al-Si-(Mg)合金的室溫屈服強度為200-300 MPa。

田納西州橡樹嶺國家實驗室Ying Yang教授及其團隊通過對不同長度尺度的微觀組織分析，結合環(huán)境和高溫力學性能的評估，發(fā)現增材制造 Al-Ce-Ni-Mn合金確實是一種很有前途的輕量化合金，適用于250-400℃溫度范圍內的應用。研究發(fā)現，與傳統(tǒng)的鑄造高溫合金相比，在300 ~ 400℃時，合金的抗蠕變性能尤其突出，這是考慮到晶粒尺寸在10 ~ 100 μm量級的意外結果。考慮到現有的少量蠕變研究中發(fā)現的較差的抗蠕變性能，本文的驚人結果為未來的抗蠕變AM鋁合金的設計提供了幾個重要的考慮因素。相關研究成果以題“A creep-resistant additively manufactured Al-Ce-Ni-Mn alloy”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000854

正如實驗過程中所討論的，在進行機械測試或進一步的熱處理之前，預制材料在450°C(記為SR)下進行了2小時的應力消除熱處理。圖1a-b中的背散射電子(BSE)圖像顯示了SR處理后的微觀結構變化。在制備條件下，樹枝狀沉淀物的分布演變?yōu)槌恋砦镌诎祵Ρ然w內更均勻的彌散。雖然在印刷狀態(tài)下亮對比析出相發(fā)生了明顯的球化，但在sr狀態(tài)下得到了平均直徑為236±58 nm的亞微米析出相，析出相的體積分數約為35%。在as- sr微觀結構中，AM處理的熔體池邊界(mpb)很明顯，可見為包含較低數量密度的粗相的弧狀特征(圖1c-d)。mpb在AM加工過程中形成，因為材料是一層一層地建立起來的。在mpb上形成粗相可能是由于幾個因素，包括在mpb上較慢的凝固速度或在隨后的層的原位退火。

圖1所示。SEM-BSE顯微照片顯示(a)制備時材料的樹枝狀組織和(b-d)在450℃下淬應力熱處理2 h (as-SR)后的微觀組織球化。(c-d) as- sr微觀結構中存在熔體池邊界(mpb)，可見為較粗的析出相區(qū)域。mpb在(c)中用白色虛線表示，并在(d)中詳細顯示。

圖2所示。(a-c) as-SR微結構的暗場STEM顯微照片和相關的EDS圖。該組織由至少三個不同的沉淀相組成，它們排列在一個破碎的網絡中;(d-e)富ce析出相與Al基體界面的高倍成像。在(e)中，樣品的方向是這樣的，富鈰沉淀物的原子平面可見，但不可見鋁基體。(f)表示對(d)中成像的整個區(qū)域進行了EDS映射。樣品取自室溫下拉伸測試的樣品的握力區(qū)域。

圖3所示。as-SR AM Al-Ce-Ni-Mn的APT分析:(a)單個原子的三維重建和10 at。% Ce和4 at。% Mn等濃度面分別用紅色和黃色繪制;(b) 3-D原子圖，顯示每一種原子種類的分布;(c)富mn析出相/富ce析出相界面元素分布的鄰近直方圖，如(a)中的黑色箭頭所示。界面附近發(fā)現Si的富集。表S1中總結的各相的組成是在元素分布曲線的高原地區(qū)取得的。

圖4所示。反極圖顯示了as- sr AM Al-Ce-Ni-Mn合金的晶粒結構，與電子背散射衍射(EBSD)成像的方向相對于構建方向。幾個熔體池邊界(mpb)用虛線突出顯示。

在室溫和 300 到 400 °C 之間的幾個溫度下對 as-SR 樣品進行拉伸測試，載荷沿構建方向施加。測得的屈服強度、極限抗拉強度和伸長率繪制在圖 5a中。屈服強度和極限抗拉強度在室溫下最大，分別為 258 ± 4 和 370 ± 4 MPa，并且隨著溫度的升高而降低，而伸長率則呈現相反的趨勢。室溫延展性考慮到合金中潛在脆性金屬間化合物的高體積分數（~35%）。還評估了 100-300°C 中間溫度范圍內的拉伸性能，對于目前的 AM Al-Ce-Ni-Mn 合金，在 100-300 °C 溫度范圍內沒有發(fā)現顯著的延展性下降，圖 S2。在 PM 合金中，延展性的降低歸因于動態(tài)應變時效(DSA) 來自溶質元素，例如基質中的 Fe、V 和 Cr，它們在高溫下變得可移動。因此，在目前的 AM Al-Ce-Ni-Mn 合金中，表 S1 中幾乎純鋁基體可能導致在 100-300°C 時缺乏觀察到的 DSA 效應。

圖5所示。(a) as- sr AM Al-Ce-Ni-Mn的屈服強度、極限抗拉強度、拉伸伸長率和拉伸蠕變伸長率隨溫度的函數。蠕變伸長在第3.4和4.4節(jié)中討論;(b)當前AM Al- ce - ni - mn合金的屈服強度與其他幾種印刷AM Al合金相比隨溫度的變化。包括Al-10Ce-8Mn、Al-2.9Mg-2.1Zr、Al-14.1Mg-0.47Si-0.31Sc-0.17Zr[、Al-8.6Cu-0.45Mn-0.90Zr和Al-10Si-0.3Mg;(c) (b)中AM合金在300℃和400℃室溫拉伸屈服強度保持率;(d) AM Al-Ce-Ni-Mn合金在300、350、400℃時效200 h后，常溫維氏顯微硬度的變化。

圖6所示。(a) as-SR AM Al-10.5Ce-3.1Ni-1.2Mn合金在300-400℃時的最小應變速率與應力的關系，其擴散和位錯蠕變的表觀應力指數napp顯示;(b)純Al的ε˙1n與σ的關系曲線(n?=?4.4)，以確定在每個測試溫度下AM Al- ce - ni - mn的蠕變閾值應力。與x軸交點為閾值應力σth;(c)阿倫尼烏斯圖顯示在50和60 MPa下測得的表觀蠕變活化能。斜率等于-Qapp/Rg;(d)與文獻中Al-12.5Ce[50]、Al-6.4Cu-0.19Mn-0.13Zr、Al-0.10Sc-0.12Er和Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si的鑄造和粉末冶金(PM)合金的蠕變行為進行比較。除Al-0.10Sc-0.12Er和Al-12.5Ce進行壓縮測試外，所有合金均進行了拉伸測試。

圖7所示。as-SR AM Al- ce - ni - mn的BF-STEM圖像:(a)具有代表性的亞晶界網絡，白色圈出的區(qū)域指向Al <001>帶軸。相應的菊池模式在插圖中顯示。點箭頭表示分析過的低角度邊界，實箭頭表示高角度邊界;(b)亞粒區(qū)(第i、ii、iii區(qū))和鄰近粒區(qū)(第iv區(qū))的詳細情況;(c)來自(b)地區(qū)的菊地模式顯示<亞粒間傾斜5°，>10°相對于鄰近的谷物。菊地地圖的中心到邊緣的距離相當于5°傾斜。黑色叉號表示Al <001>的位置。區(qū)域軸為各區(qū)域;(d-f)包含亞晶界的位錯網絡細節(jié)。(d-e)顯示從(a)區(qū)域的細節(jié)，而(f)顯示一個額外的區(qū)域靠近Al <110>帶軸。試樣從拉伸蠕變試樣的標準截面上提取。

圖8所示。在(a-b)室溫拉伸試驗、(b-c) 300℃拉伸試驗和(e-f) 300℃蠕變試驗后，觀察到as-SR AM Al-Ce-Ni-Mn的斷口形貌。在(e-f)中，試樣在83 MPa的單一外加應力下爬行了433 h。

圖9所示。(a-c) SEM-BSE顯微照片顯示了在300-400℃下無載荷退火200 h后，AM Al-Ce-Ni-Mn組織的演變。as-SR的微觀結構見圖1b。只有在400℃時，析出相才明顯粗化;(d)根據時效/蠕變時間和溫度計算得到的Mn的平均析出相半徑與預期二維擴散距離的函數圖，以及參考文獻[54]中的擴散系數值。對于300°C的蠕變載荷，在85 MPa的最大載荷下對試樣進行了測試。在350℃下，在60 MPa的最大負載下對樣品進行了測試。在400℃下，在32 MPa的最大負載下對樣品進行了測試。

通過對微觀結構和機械行為的廣泛表征，我們得出以下結論：合金的應力消除微觀結構很復雜，含有高體積分數（?35%）的球化亞微米金屬間相。通過原子探針斷層掃描鑒定至少四種不同的金屬間相。觀測相的組成與熱力學計算一致。鋁晶粒大部分是柱狀的，與構建方向對齊，晶粒寬?10μm，長?100μm。在450°C下進行2小時的應力消除退火會產生耐粗糙的微觀結構，因為在無負載退火下，118±29 nm的初始平均沉淀半徑在350°C下保持長達200小時不變。在400°C下等溫時效200小時后，平均沉淀半徑增加17%。在蠕變載荷條件下，粗化阻力略有下降，在350°C下測試312 h后觀察到沉淀半徑增加37%，在400°C下測試747 h后沉淀半徑增加82%。