供稿人：趙汗霖 、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-11-15
激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)已成為制造高性能鋁合金的有效方法。本文聚焦于一種新型的Al–Ni–Sc–Zr合金，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證細(xì)胞結(jié)構(gòu)在高溫下是否仍然是有效的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)的障礙，通過(guò)了解細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及其與高溫性能的關(guān)系，為開(kāi)發(fā)適用于高溫應(yīng)用的高性能鋁合金提供參考價(jià)值。
本研究采用LPBF技術(shù)制備了一種含5.6 wt% Ni的共晶Al–Ni–Sc–Zr合金，其成分為Al Bal、Ni 5.61、Sc 0.68、Zr 0.09、Fe 0.09、Si 0.03。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子探針斷層掃描（APT）對(duì)合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征。同時(shí)，進(jìn)行常溫及250℃下的拉伸試驗(yàn)，并通過(guò)顯微硬度測(cè)試評(píng)估其熱穩(wěn)定性。
圖1 樣品采用的掃描策略示意圖
合金的細(xì)胞結(jié)構(gòu)由Al基體內(nèi)部和Al9Ni2相細(xì)胞壁組成，沿建造方向展示出完整粗大、完整細(xì)小和部分細(xì)胞區(qū)域。細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成與固化過(guò)程中的溫度梯度和冷卻速率密切相關(guān)。細(xì)胞的存在顯著提高了合金的力學(xué)性能。
圖2 Al-Ni-Sc-Zr合金中形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的SEM 圖像(a)沿BD從熔池底部到頂部的多個(gè)蜂窩狀結(jié)構(gòu) (b–d) (a)中虛線所示區(qū)域內(nèi)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的放大圖像
對(duì)合金在25、200、250 和 300 ℃測(cè)試溫度下進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試。如圖2所示，在常溫下，該合金的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）為460 MPa，屈服強(qiáng)度（YS）為368 MPa。在250℃下，合金的YS保持在332 MPa，強(qiáng)度保持率高達(dá)90%。這一優(yōu)異性能主要得益于細(xì)胞壁的連續(xù)性，它們能夠有效限制位錯(cuò)并抑制位錯(cuò)消失，避免了強(qiáng)度的顯著下降。
圖3 Al-Ni-Sc-Zr合金性能隨溫度變化(a)合金應(yīng)力-應(yīng)變（b）強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率（c）不同合金屈服強(qiáng)度比較。（d）不同合金在250 ℃ 下的強(qiáng)度保持率比較
對(duì)合金進(jìn)行了高溫暴露測(cè)試，如圖3所示，在250℃下暴露100小時(shí)后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化，硬度保持穩(wěn)定。隨著暴露時(shí)間的增加到300小時(shí)和500小時(shí)，細(xì)胞壁逐漸分解成高密度的納米顆粒。這些納米顆粒能夠彌補(bǔ)細(xì)胞分解帶來(lái)的強(qiáng)度下降，最終使合金在500小時(shí)后保持幾乎不變的硬度。這表明該合金具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
圖4 LPBF Al-Ni-Sc-Zr 合金在250℃下熱暴露100、300和500小時(shí)的 SEM 圖像
細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與合金中Ni、Sc、Zr的分布密切相關(guān)。Ni的擴(kuò)散速率較低，而Sc和Zr在細(xì)胞壁的富集層能夠有效阻止界面遷移，從而減緩了Al–Ni相的粗化過(guò)程。此外，隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞壁分解產(chǎn)生的納米顆粒提高了合金的強(qiáng)度，使其在高溫下依然保持良好的硬度。
該合金在高溫應(yīng)用下展示了優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。通過(guò)精確控制細(xì)胞結(jié)構(gòu)，合金在250℃下保持了優(yōu)良的強(qiáng)度和硬度。這些成果表明，LPBF技術(shù)能夠有效地提高鋁合金在高溫條件下的性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。