中外五校联合丨激光粉末床熔融增材制造实现高强度和延展性的Al–Mn–Mg–Sc–Zr合金

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激光粉末床熔融（LPBF）制备高强度含Sc铝合金的成本较高，阻碍了其应用。为了其降低成本。近日，汕头大学的曹晟副教授团队与北京工业大学、澳大利亚伊迪斯·科文大学、澳大利亚Monash大学、东南大学等研究人员合作，在《Virtual and Physical Prototyping》期刊上发表最新研究成果“Strong and ductile Al–Mn–Mg–Sc–Zr alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion”，报道了一种采用大层厚度的LPBF制造强韧性Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金，以提高粗粉末颗粒的制造效率。

当层厚度达到120μm时，可实现超过99.2%的高相对密度。在后处理热处理的样品中，从层厚30到120μm，屈服强度仅略有下降6%；这种强度的下降归因于采用较大层厚而导致晶粒尺寸较大。所制作的层厚为120μm的样品仍表现出472μmpa的高拉伸屈服强度和～10％的断裂应变。这项工作展示了在LPBF工艺中使用大层厚度提高高强度Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的LPBF制造效率的成功应用。

图 1. 在不同 LPBF 层厚度下制造的 Al-Mn-Mg-Sc-Zr 样品的代表性光学显微照片：(a) 30 μm、(b) 60 μm、(c) 90 μm 和 (d) 120 μm。

图 2. 在不同 LPBF 层厚度（a）30 μm、（b）60 μm、（c）90 μm 和（d）下构建的 Al-Mn-Mg-Sc-Zr 合金样品的熔池形貌 120 μm。

图 3. 晶粒取向图显示了在不同 LPBF 层厚度（a）30 μm、（b）60 μm、（c）90 μm 和（d）120 μm 下构建的热处理后样品的异质微观结构。这些图是在平行于 LPBF 构建方向 (Z) 的垂直横截面上收集的。

图 4. 不同LPBF层厚度下热处理Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的拉伸性能

论文主要结论

在不同层厚度（即30、60、90和120μm）的LPBF制造的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金中系统地研究了加工优化。研究了LPBF优化和热处理样品的微观结构和机械性能。这项工作可以得出以下结论。

1）在所有层厚度条件下均实现了高相对密度（≥99.2%）。层厚为120μm的样品具有99.2%的相对密度。小部分缺陷通常随机分布在样本中。

2）LPBF制造和后热处理的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金具有典型的双峰等轴柱状微观结构。等轴晶和柱状晶的尺寸随着层厚度的增加而略有增加，这归因于高层厚度时冷却速率的降低。

3）在热处理后的样品中，屈服强度从30μm(502MPa)下降到120μm(472MPa)，降低了6%。这种减少主要归因于高层厚度处晶粒尺寸的增加，而不是孔隙率、固溶强化和沉淀硬化。分数应变降低是由于高层厚度处孔隙率水平略高造成的。

4）这项工作提供了一种有效的方法，使用制造速率增强的LPBF在120μm层厚度下生产高强度（屈服强度为472MPa）和延展性（伸长率为9.8%）的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金。

Zhang H, Zhang L C, Liu H, et al. Strong and ductile Al–Mn–Mg–Sc–Zr alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18(1): e2250769.

论文链接:

https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769

来源：增材制造硕博联盟