激光粉末床熔融驱动的超细二十面体准晶体形成及其在Al-94Fe-2.5Cr-2.5Ti合金中的力学性能提升

《Materials Science and Engineering: A》：Laser Powder Bed Fusion-Driven Ultrafine Icosahedral Quasicrystal Formation and Mechanical Enhancement in Al 94Fe 2.5Cr 2.5Ti Alloy

本研究通过优化激光粉末床熔融参数，成功制备了Al94Fe2.5Cr2.5Ti无裂纹合金，其室温抗拉强度达547.17 MPa，延伸率7.00%，并在500°C时仍保持111.53 MPa强度，主要归因于高密度i-QC相弥散强化与晶界强化的协同作用。

　　本研究成功制备了一种无裂纹的Al94Fe2.5Cr2.5Ti合金，该合金通过在激光粉末床熔融（L-PBF）技术中显著提高扫描速度，同时适度增强激光功率，展现出优异的机械性能。该合金的强度和延展性在室温至高温（最高可达500°C）范围内均表现突出。在室温下，其抗拉强度达到547.17 ± 10.13 MPa，延展率为7.00 ± 1.12%。而在400°C和500°C时，其强度分别保持在271.47 ± 12.08 MPa和111.53 ± 6.71 MPa，远高于目前报道的耐高温铝合金的性能。这一研究结果表明，该合金在高温环境下仍具有出色的力学性能，为高温耐热合金的设计提供了一个新的思路。

在合金的制备过程中，研究团队采用了一种创新的策略，即在L-PBF技术中通过“低功率/高扫描速度”的方式，实现对晶粒和相的细化，同时促进纳米级准晶相的形成。这种策略不仅有效避免了传统制造方法中常见的裂纹问题，还显著提升了合金的高温性能。该研究的成果不仅为航空航天和交通运输领域对高温耐热材料的需求提供了解决方案，也为金属材料的高性能设计开辟了新的路径。

铝及其合金因其优异的强度重量比和良好的加工性能，在航空航天和交通运输领域被广泛应用。随着技术的发展，相关组件的使用温度逐渐提升至250°C至400°C之间，对耐高温铝合金提出了更高的要求。然而，传统的热处理铝合金（如7075）在超过200°C的环境下表现出显著的热不稳定，其强度在300°C时仅为室温下的约10%。即便是新兴的增材制造铝合金，例如基于Al-Mg-Zr体系的合金，其在260°C时的屈服强度也被报道为24 MPa，远低于所需水平。这表明，传统铝合金在高温性能方面存在固有的局限，难以满足航空航天和交通运输对高温耐热材料的严格需求。因此，开发具有优异高温性能的先进耐热铝合金成为关键工程应用的迫切需求。

为了提升铝合金的高温性能，合金元素的选择至关重要。过渡金属（如Fe、Ni、Cr等）的加入被认为是增强高温性能的有效手段。然而，传统的制造工艺如铸造或标准热机械处理通常会导致过渡金属含量铝合金中形成粗大且脆性的金属间化合物，这会损害其力学性能。为了克服这一问题，先进的快速凝固技术，如粉末冶金、增材制造和熔体旋甩，因其冷却速率可达10^3–10^6 K/s，被用于细化这些相，从而提升合金的强度和热稳定性。

在多种Al-过渡金属合金中，Al-Fe-Cr体系被认为是具有最佳高温性能的候选材料。这是因为，在高冷却速率下，Al-Fe-Cr合金中会形成准球形的准晶相（i-QC），这些相嵌入在Al固溶体基质中，从而增强合金的高温性能。已知Cr可以促进准晶相的形成，而Fe则生成准晶原子簇。这些簇通过成分依赖的相互作用稳定为准晶相。Cr和Fe的协同添加使得准晶相得到显著细化。此外，Galano等人研究发现，通过添加过渡金属（如Ti、V、Nb、Ta）可以显著提升Al-Fe-Cr准晶合金的高温性能。特别是，Ti能够稳定由Al和Fe/Cr原子形成的准晶拓扑结构，延缓准晶相在高温下的分解。此外，Al-Fe-Cr-Ti合金的准晶相转变温度可以达到554°C，远高于传统铝合金的使用温度要求。然而，准晶相的析出通常依赖于极高的冷却速率（如10^3–10^6 K/s），如熔体旋甩，而其他快速凝固技术如喷雾成形或粉末冶金则只能生成少量的准晶相。这一现象限制了该类合金的应用潜力。

激光粉末床熔融（L-PBF）技术因其冷却速率超过10^5 K/s，能够实现对复杂铝构件的高精度制造，并且在无需后续热处理的情况下也能够保持优异的强度。De Araujo等人研究指出，L-PBF技术具有促进Al-Fe-Cr-Ti合金中准晶相形成的能力。然而，由于准晶相的尺寸较大，其性能仍然受到一定限制。因此，本研究采用了一种新的策略，即在保持适当能量密度以防止熔合不足或孔隙等缺陷的前提下，显著提高扫描速度，同时适度增强激光功率，以实现对α-Al晶粒的细化以及高体积分数的准晶相形成。

在材料制备过程中，研究团队首先通过气体雾化制备了球形预合金粉末，其化学成分为Al94Fe2.5Cr2.5Ti（原子百分比），并在氩气氛围下进行加工。所使用的粉末粒径范围为15–53 μm，具有高度正常的粒径分布和良好的流动性（Hall流速为93 s/50 g）。冷却速率是决定晶粒和相细化程度的关键因素。De Araujo等人的研究表明，在L-PBF过程中，熔池中心的冷却速率对晶粒和相的形成具有决定性影响。

在优化工艺参数方面，研究团队发现当激光功率固定为200 W时，扫描速度从900 mm/s提高到1300 mm/s，能够显著细化合金的微观结构。这种参数调整使得细相区域的面积分数提高了19.11%。然而，使用200 W/1300 mm/s参数组（体积能量密度为51.3 J/mm3）制备的样品出现了裂纹。这归因于过高的扫描速度导致熔融材料不足，从而降低了熔融材料的流动性。为了克服这一问题，研究团队进一步优化了L-PBF的工艺参数，以确保在提高扫描速度的同时，也能保持足够的熔融材料，从而避免裂纹的产生。

通过热力学计算（基于TCAL9数据库）、微观结构表征以及先前的研究，本研究揭示了Al-Fe-Cr-Ti合金中准晶相的形成机制。在极端冷却速率下，熔池中心的快速冷却能够抑制原子扩散，使系统处于一种亚稳态，从而形成由细小准晶相和亚稳态Al3(Ti,Cr)组成的复合微观结构。相比之下，较低的冷却速率可能导致不同的相形成路径，进而影响合金的性能。这种独特的形成机制为理解准晶相的析出和稳定提供了新的视角。

本研究还通过实验验证了“低功率/高扫描速度”策略在L-PBF过程中对晶粒和相的细化作用。这种策略不仅能够提高合金的高温性能，还能显著提升其在室温下的力学性能。此外，通过调整激光功率和扫描速度，研究团队成功制备出具有高体积分数的细小准晶相，这些相在高温下表现出优异的稳定性，从而显著提升了合金的强度。这种新型合金的设计方法不仅适用于当前的航空航天和交通运输需求，还为未来的高温材料开发提供了新的方向。

在讨论部分，研究团队进一步分析了准晶相的形成和稳定机制。他们指出，极端的冷却速率能够有效抑制原子扩散，使系统在快速冷却过程中冻结，从而形成独特的微观结构。这种结构不仅包括细小的准晶相，还包含亚稳态的Al3(Ti,Cr)相，这为合金的高温性能提供了双重保障。此外，研究团队还探讨了准晶相在不同冷却速率下的行为差异，以及这些差异对合金整体性能的影响。这些发现不仅有助于理解准晶相的形成机制，还为优化L-PBF工艺参数提供了理论依据。

通过上述研究，团队成功开发出一种新型的Al-Fe-Cr-Ti合金，该合金在室温和高温下均表现出优异的力学性能。其独特的微观结构和形成机制为高温材料的设计和制造提供了新的思路。此外，该研究还揭示了L-PBF技术在优化工艺参数方面的潜力，以及如何通过调整扫描速度和激光功率来实现对晶粒和相的精细化控制。这些成果不仅有助于提升铝合金的高温性能，还为其他金属材料的高性能设计提供了借鉴。

综上所述，本研究通过创新的L-PBF工艺策略，成功制备出一种具有优异高温性能的Al-Fe-Cr-Ti合金。该合金在室温下的抗拉强度和延展性达到理想水平，而在高温环境下依然保持较高的强度，这使其成为航空航天和交通运输领域的重要材料。通过系统的研究，团队揭示了该合金的形成机制，并验证了其在不同条件下的性能表现。这些成果不仅拓展了铝合金的应用范围，还为未来高温材料的发展提供了新的方向。