重庆大学唐倩教授丨激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺优化、微观结构及力学性能研究_ACT

重庆大学唐倩教授丨激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺优化、微观结构及力学性能研究

1 研究背景及目的

采用传统工艺制造的铝合金越来越不能满足现代工程对柔性和性能的高要求。本研究采用激光粉末床熔融法制备Al-Mg-Sc-Zr合金，以获得高性能铝合金。为此，采用工艺参数优化和热处理工艺。通过对不同能量密度下的相对密度和缺陷分布进行初步分析，确定了最优工艺参数。在最佳工艺参数下得到的样品相对密度为99.84%。随后，利用热处理进行组织和性能调控，确定了相应的相组成、显微组织和力学性能。样品的显微组织为典型的等轴柱状双峰晶粒组织，有Al3 (Sc,Zr)析出。热处理前后样品的各向异性不明显，晶粒取向差异以高角度晶界为主。通过拉伸和硬度测试对所有样品的力学性能进行了表征。

2 论文亮点

（1）通过工艺优化，使用激光粉末床熔融技术制备了致密度高达99.84%的 Al-Mg-Sc-Zr合金试样。

（2）系统研究了时效和固溶时效处理对合金组织和力学性能的影响，获得了高强度、高塑性、高硬度的时效试样。

（3）最终得到高强铝合金的屈服强度为475.0 MPa，极限抗拉强度为508.2 MPa，延伸率为8.3%。

3 试验方法

本研究对激光粉末床熔合(LPBF)技术制备的Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺参数、组织形貌和力学性能等进行了综合评价，采用工艺参数优化，对不同能量密度下的相对密度和缺陷分布进行初步分析，确定了最优工艺参数。随后，利用热处理进行组织和性能调节，确定了相应的相组成、显微组织和力学性能。最后通过拉伸和硬度测试对所有样品的力学性能进行了表征。研究结果可为高强铝合金在航空航天领域的未来研究和实际应用奠定一定的研究基础。

Fig. 1. Feedstock powder used in this work: (a) Scanning electron microscopy (SEM) image at low magnification; (b) Particle size distribution; (c) SEM image at high magnification; (d) Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping of (c).

Fig. 2. Process parameter settings.

4 结果

使用LPBF工艺制备Al-4.71Mg-0.86Sc-0.27Zr-0.091Si-0.084Fe-0.012Zn （wt%）合金工艺优化后参数为激光功率350 W、扫描速度1250 mm/s、扫描间距140 μm、层厚30 μm为，验证后试样致密度达99.84%。该合金中相组成以α-Al和少量Al3Mg2为主。时效和固溶时效热处理后，试样中有Al3 （Sc,Zr）析出。所有样品均表现出明显的晶粒细化，时效处理对晶粒尺寸的影响最小。Al-Mg-Sc-Zr试样在热处理前后表现出良好的各向同性和可忽略的织构。时效处理显著提高了试样的硬度和强度。相反，固溶时效处理略微提高了样品的伸长率，但对强度的提高没有贡献。时效处理后，样品的屈服强度、抗拉强度、伸长率和维氏硬度分别达到475.0 MPa、508.2 MPa、8.3%和170.3 HV0.5。

Fig. 3. Optical microscopy images of the vertical section of specific samples.

5 结论

使用LPBF工艺制备高强铝合金工艺优化后参数为激光功率350 W、扫描速度1250 mm/s、扫描间距140 μm、层厚30 μm为，验证后试样致密度达99.84%。该合金中相组成以α-Al和少量Al3Mg2为主。时效和固溶时效热处理后，试样中有Al3 （Sc,Zr）析出。所有样品均表现出明显的晶粒细化，时效处理对晶粒尺寸的影响最小。Al-Mg-Sc-Zr试样在热处理前后表现出良好的各向同性和可忽略的织构。时效处理显著提高了试样的硬度和强度。相反，固溶时效处理略微提高了样品的伸长率，但对强度的提高没有贡献。时效处理后，样品的屈服强度、抗拉强度、伸长率和维氏硬度分别达到475.0 MPa、508.2 MPa、8.3%和170.3 HV0.5。

6 前景与应用

激光熔化技术可实现高效率、低缺陷的复杂结构成形，适用于航空航天大型构件的一体化制造‌。满足高强轻量化需求的同时，该材料在高速列车轻量化底盘、航天器承力部件及军工精密构件领域具有突出应用潜力，尤其适合传统工艺难以成形的拓扑优化结构‌。

来源：增材制造硕博联盟

重庆大学龚愉顶刊丨基于增材制造的分层梯度点阵结构设计与力学性能研究

1 研究背景及目的自然界中普遍存在的梯度现象在提升结构承载性能等方面发挥着重要作用。本研究旨在借鉴这一自然现象，开发出具有优异力学性能的点阵结构，促进其在工程领域的实际应用。为此，我们提出了两种创新的点阵结构分层梯度设计策略，并对相应结构的力学与能量吸收特性进行了深入分析，为点阵结构的设计和工程应用提供了新视角。 2 论文亮点（1）基于自然界中普遍存在的分层现象，提出了两种不同的分层梯度点阵结构的设计策略。（2）研究了分层梯度点阵结构在压缩载荷下的力学性能和能量吸收能力，对设计的有效性进行了验证。（3）研究了不同的分层梯度设计策略和层间梯度跨度对点阵结构力学性能的影响。（4）通过调整压缩方向，对结构的各向异性进行了研究与讨论。 Fig. 1. Schematic diagram of layered gradient lattice structure (a) IC357 structure ;(b) IC37 structure ;(c) CC357 structure ;(d) Single cell size. 3 试验方法在本研究中，我们使用尼龙PA2200和选择性激光烧结技术(SLS)制备了点阵结构试件，并利用Abaqus软件建立了相应结构的有限元模型。通过准静态压缩试验与数值模拟相结合的方法，系统地分析了不同设计策略和梯度跨度对点阵结构力学性能和能量吸收特性的影响。每种结构进行了三次实验，以确保结果的可靠性和可重复性。在通过试验对比验证了有限元模型的有效性后，进一步通过数值模拟对不同点阵结构的各向异性进行了研究，在获得可靠结果的同时降低了试验成本。 Fig. 2. Compression deformation process of lattice structures. Fig. 3. Numerical simulation of the anisotropy of the lattice structure. 4 结果研究结果表明，合理的分层梯度设计可以提高结构的压缩力学性能和能量吸收特性。具体来说，与体心立方(BCC)结构相比，优化后的分层梯度点阵结构在沿梯度方向受压时，其弹性模量最高可提升40.05%，而单位体积的能量吸收能力最高可提升13.04%。所有三种分层梯度点阵结构均表现出显著的各向异性。与沿梯度方向压缩相比，当垂直于梯度方向压缩时，结构的某些力学性能略有下降，但仍然高于BCC结构。同时，当垂直于梯度方向压缩时，分层梯度结构的能量吸收特性更加理想。垂直于梯度方向压缩时，三种梯度结构单位体积能量吸收的最低值为0.53 J/cm3(IC357)，仍高于沿梯度方向压缩时三种梯度结构单位体积能量吸收的最高值0.52 J/cm3(CC357)。 Fig. 4. Nominal stress-strain curves of lattice structures. Fig. 5. Energy absorption per unit volume of lattice structures. Fig. 6. Energy absorption efficiency curves. 5 结论与BCC结构相比，合理的分层梯度设计可以提高结构的压缩力学性能和能量吸收特性，尽管相对密度略有增加，但弹性模量等性能的改善更为明显。分层梯度点阵结构的力学性能会因压缩方向的不同而有所变化，具有明显的各向异性。当垂直于梯度方向压缩时，所有分层结构表现出更高的能量吸收效率。因此，可以根据特定要求选择合适的分层设计方案和承载方向。 6 前景与应用分层梯度设计使点阵结构在相对密度仅增加0.56%的情况下，力学和能量吸收能力获得有效提升。这充分体现了点阵结构轻质高强和优越吸能的特点，可以作为航空航天等领域的轻质承载结构及头盔、吸能盒等防护装备的填充物，具有广阔的应用前景。来源：增材制造硕博联盟