中南大学材料:一种用于增材制造的高强度耐热铝合金

铝合金以其质轻、高比强、抗腐蚀等优异性能,广泛应用于航空航天、武器装备、轨道交通、汽车等领域的轻量化结构。增材制造技术不受工艺条件的约束和限制,为航空航天等领域复杂铝合金构件(如复杂框梁、薄壁、内流道结构等)的定制化生产提供了前所未有的机遇。

然而,常见的铝合金通常表现出较差的成形性,增材制造过程中极易出现裂纹等冶金缺陷,导致较差的力学性能。目前,取得广泛商业应用的增材制造铝合金仅限于AlSi12、AlSi10Mg等少数铝硅系合金。而2xxx系和7xxx系等传统高强铝合金因其较宽的凝固区间,在增材制造复杂热应力环境下极易产生严重的热裂纹倾向,导致实际应用于增材制造铝合金种类非常少,难以满足承重、耐热等复杂服役环境对铝合金构件的迫切需求。因此,亟需开发兼具良好成形性与强韧性的增材制造铝合金。

近期,中南大学粉末冶金国家重点实验室的陈超和长沙理工大学的刘小春等人在开发增材制造高强耐热铝合金方面取得重要进展。该工作基于Al−Ni共晶合金凝固区间小、流动性好等特点,有效降低了铝合金在增材制造复杂热应力条件下的裂纹敏感性,在非常宽的工艺参数范围内合金内部都没有出现微裂纹。选区激光熔化过程的高冷却速度还极大地细化了共晶组织,获得了纳米级球状Al3Ni粒子均匀分布于铝基体的粒状共晶组织。相比于铝硅系合金,Al−Ni共晶具有更高的共晶温度 (640℃)、在铝基体中更低的固溶度 (0.02wt.%) 以及更低的扩散系数,形成的Al3Ni 粒子具有非常好的高温稳定性,增材制造的Al−Ni合金表现出较好的耐热性能。选区激光熔化成形Al−Ni共晶合金室温抗拉强度超过400 MPa,室温延伸率10%,300℃的抗拉强度超过140 MPa,同时还具有较宽的成形工艺窗口。相关论文以题为“Ahigh-strength heat-resistant Al−5.7Ni eutectic alloy with spherical Al3Ni nano-particles by selective laser melting”发表在期刊Scripta Materialia上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114034

SLM成形的Al−Ni共晶合金致密度超过99.8%。在极高的冷却速度下,合金晶粒细小,形成了平行于凝固方向的细小柱状晶合金,在垂直于建造方向的横截面和平行于建造方向的纵截面两个截面统计晶粒大小分别为 5.1μm和7.1μm。亚晶和晶内亚结构发达,合金较高的平均局部取向差,反映了合金内部较高的位错密度。SLM成形的Al−Ni合金主要由α-Al相和Al3Ni相组成。不同于传统铸造Al−Ni合金中呈棒状或纤维状的Al3Ni相,SLM成形Al−Ni合金中的Al3Ni相为球状,弥散分布于α-Al基体中,平均尺寸约为32nm。同时,α-Al基体中Ni元素的含量仍高达3.5wt.%,表明在SLM过程中极高的冷却速度下,大量Ni原子固溶在α-Al基体中形成超饱和固溶体。部分尺寸较小的Al3Ni颗粒与α-Al基体存在着<110>Al//<113>Al3Ni、{111}Al//{211}Al3Ni的位相关系。

图1 SLM成形Al-Ni合金的显微组织:(a) SLM 示意图;(b) 横截面和 (c) 纵截面的EBSD图;(d) 合金的晶粒尺寸分布;(e) KAM统计图;(d) XRD。

图2 合金的TEM分析:(a) TEMBF;(b)HAADF;(c)面扫描;(d)线扫描。

图3 Al3Ni与α-Al基体的位相关系:(a) HRTEM;(b) IFT,(c,d) FT。

SLM成形Al−Ni合金在室温下的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为410 MPa、280 MPa和9.5%,远高于铸造Al−Ni合金的性能。细小弥散分布的球状Al3Ni粒子是高强度的重要来源。合金在250℃时仍保持210MPa的屈服强度,在300℃的屈服强度接近140 MPa,显示出优于Al-Si系合金的高温力学性能。Ni原子在铝基体中更低的扩散系数(300℃下,dNi=2.7×10−17m2/s,dSi=2.6×10−16m2/s)和较低的固溶度保证了Al−Ni合金优异的高温强度和抗蠕变性能。

图4 合金的力学性能:(a)应力应变曲线;(b)柱状图。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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