供稿人：赵汗霖 、王富 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术国家重点实验室 发布日期：2024-11-15
激光粉末床熔融（LPBF）技术已成为制造高性能铝合金的有效方法。本文聚焦于一种新型的Al–Ni–Sc–Zr合金，对其微观结构、机械性能和热稳定性进行评估，验证细胞结构在高温下是否仍然是有效的位错运动和存储的障碍，通过了解细胞结构的形成机制及其与高温性能的关系，为开发适用于高温应用的高性能铝合金提供参考价值。
本研究采用LPBF技术制备了一种含5.6 wt% Ni的共晶Al–Ni–Sc–Zr合金，其成分为Al Bal、Ni 5.61、Sc 0.68、Zr 0.09、Fe 0.09、Si 0.03。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）对合金的微观结构进行了详细表征。同时，进行常温及250℃下的拉伸试验，并通过显微硬度测试评估其热稳定性。
图1 样品采用的扫描策略示意图
合金的细胞结构由Al基体内部和Al9Ni2相细胞壁组成，沿建造方向展示出完整粗大、完整细小和部分细胞区域。细胞结构的形成与固化过程中的温度梯度和冷却速率密切相关。细胞的存在显著提高了合金的力学性能。
图2 Al-Ni-Sc-Zr合金中形成的蜂窝状结构的SEM 图像(a)沿BD从熔池底部到顶部的多个蜂窝状结构 (b–d) (a)中虚线所示区域内的蜂窝状结构的放大图像
对合金在25、200、250 和 300 ℃测试温度下进行了应力测试。如图2所示，在常温下，该合金的极限拉伸强度（UTS）为460 MPa，屈服强度（YS）为368 MPa。在250℃下，合金的YS保持在332 MPa，强度保持率高达90%。这一优异性能主要得益于细胞壁的连续性，它们能够有效限制位错并抑制位错消失，避免了强度的显著下降。
图3 Al-Ni-Sc-Zr合金性能随温度变化(a)合金应力-应变（b）强度和伸长率（c）不同合金屈服强度比较。（d）不同合金在250 ℃ 下的强度保持率比较
对合金进行了高温暴露测试，如图3所示，在250℃下暴露100小时后，细胞结构几乎没有变化，硬度保持稳定。随着暴露时间的增加到300小时和500小时，细胞壁逐渐分解成高密度的纳米颗粒。这些纳米颗粒能够弥补细胞分解带来的强度下降，最终使合金在500小时后保持几乎不变的硬度。这表明该合金具有优异的热稳定性。
图4 LPBF Al-Ni-Sc-Zr 合金在250℃下热暴露100、300和500小时的 SEM 图像
细胞结构的稳定性与合金中Ni、Sc、Zr的分布密切相关。Ni的扩散速率较低，而Sc和Zr在细胞壁的富集层能够有效阻止界面迁移，从而减缓了Al–Ni相的粗化过程。此外，随着暴露时间的延长，细胞壁分解产生的纳米颗粒提高了合金的强度，使其在高温下依然保持良好的硬度。
该合金在高温应用下展示了优异的力学性能和热稳定性。通过精确控制细胞结构，合金在250℃下保持了优良的强度和硬度。这些成果表明，LPBF技术能够有效地提高铝合金在高温条件下的性能，具有广泛的应用前景。