体积能量密度调控的冷却速率对LPBF（激光粉末熔融成形）制备的Al-Cu-Mg-Si-Sc-Zr多元合金的微观结构、力学性能及腐蚀行为优化具有重要影响

《Optics & Laser Technology》：Volumetric energy density-regulated cooling rate for microstructure, mechanical properties, and corrosion behavior optimization in LPBF-fabricated Al-Cu-Mg-Si-Sc-Zr multicomponent alloy

通过调控激光粉末床熔融（LPBF）工艺中体积能量密度（VED）范围（143-514 J/mm3），系统研究了 Ved 对 Al-Cu-Mg-Si-Sc-Zr 多元合金微观结构、力学性能及耐腐蚀性的影响。发现 Ved 优化至 238 J/mm3 时，合金呈现细晶（柱状+等轴晶）与纳米级多尺度析出相（Al?Cu、Mg?Si、Al?(Sc,Zr)），实现抗拉强度 473 MPa、维氏硬度 156 HV 和腐蚀电流密度 6.04 μA·cm?2 的协同提升。有限元模拟验证了 Ved 对熔池凝固行为及相分布的调控机制，建立了 Ved-微观结构-性能定量关联模型，突破传统强度与耐蚀性矛盾，为先进铝合金增材制造提供新范式。

　　本研究聚焦于激光粉末床熔融（LPBF）技术在航空航天级铝合金制造中的应用，尤其是针对复杂的多组分系统如Al-Cu-Mg-Si-Sc-Zr合金。这类合金因其卓越的性能潜力，被视为下一代高性能材料的重要候选。然而，在实际加工过程中，如何通过能量输入控制实现机械性能与耐腐蚀性的协同优化，仍然是一个重大挑战。此前的研究主要关注合金的成型性，但对体积能量密度（VED）如何同时影响微观结构演变、机械强度和耐腐蚀性的系统性理解尚不充分。因此，本研究通过一种交叉设计策略，系统地探讨了VED对这类多组分合金性能的影响。

在实验中，研究人员采用了80:20的Al-Cu与Al-Mg-Si-Sc-Zr粉末混合比例，以获得目标的多组分合金成分。这种混合方法不仅保证了合金成分的均匀分布，还有效避免了因粉末混合不均导致的性能波动。混合后的粉末在惰性气体氩气的保护下，通过滚动混合机进行了10小时的机械混合，确保了粉末颗粒的充分分散。随后，采用LPBF技术在VED范围143–514 J/mm3内对合金进行加工。通过调整VED，研究人员能够控制熔池的热输入、热梯度分布以及凝固速率，从而影响晶粒生长模式、枝晶间距和第二相的类型与分布。

实验结果显示，VED对合金的微观结构演变具有显著影响。在低VED条件下，熔池区域形成柱状晶，而沿着熔合边界则出现等轴晶。这种异质晶粒结构在以往的LPBF加工研究中已有报道，如Al-Mg-Sc-Zr和Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。该结构主要源于加工过程中热输入的不均匀性，导致不同区域的冷却速率存在差异。在高VED条件下，第二相的分布变得更加粗大，这不仅影响了合金的硬度，还增加了腐蚀电流密度。因此，VED的合理选择对于获得理想的微观结构至关重要。

在机械性能方面，当VED达到238 J/mm3时，合金表现出最佳的性能。此时，合金的拉伸强度达到473 MPa，维氏硬度为156 HV，同时具有优异的耐腐蚀性，腐蚀电流密度仅为6.04 μA·cm?2。这种性能的提升主要归因于细小的枝晶间距和纳米尺度的晶间析出物。在较低的VED条件下，枝晶间距较粗，析出物的尺寸和分布不够均匀，导致合金的强度和硬度相对较低。而在较高的VED条件下，析出物的尺寸和分布变得不均匀，甚至出现粗大的第二相，这不仅降低了合金的硬度，还增加了腐蚀的敏感性。

在耐腐蚀性方面，VED同样扮演着关键角色。第二相粒子的性质和空间分布对合金的耐腐蚀性具有显著影响。例如，Cu-rich或Mg-rich析出物可能在某些情况下促进腐蚀，而细小、均匀分布的析出物则有助于提高耐腐蚀性。在本研究中，当VED处于238 J/mm3时，析出物的尺寸和分布达到最佳状态，从而显著提升了合金的耐腐蚀性能。相比之下，当VED增加至476 J/mm3时，析出物的分布变得更加粗大，导致合金的耐腐蚀性下降，腐蚀电流密度上升至6.11 μA·cm?2。

此外，研究还开发了一个基于ANSYS 19.2（APDL）的有限元模型，用于模拟不同VED条件下的熔池凝固特性。该模型与实验结果相互验证，进一步揭示了VED对微观结构演变的控制作用。通过这种模拟方法，研究人员能够预测不同VED条件下的凝固行为，从而优化加工参数，提高合金性能。

本研究的创新点在于首次建立了一个定量的工艺-微观结构-性能框架，将VED调节的凝固过程、多尺度析出物形成、晶粒细化与机械性能和耐腐蚀性的协同优化联系起来。这一框架不仅有助于理解多组分铝合金在LPBF过程中的行为，还为未来高性能铝合金的开发提供了新的思路和方法。传统的铝合金设计往往在强度和耐腐蚀性之间存在权衡，而本研究通过精确控制VED，实现了两者的同步提升，打破了这一传统限制。

在实际应用中，这种多组分铝合金的开发具有重要意义。由于其优异的机械性能和耐腐蚀性，这类合金有望在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。然而，由于LPBF过程中的快速冷却和陡峭的温度梯度，可能会导致元素偏析、收缩孔隙和宏观残余应力等问题。因此，如何通过VED的精确控制来优化这些加工缺陷，仍然是一个需要深入研究的课题。

总的来说，本研究通过系统性的实验和模拟分析，揭示了VED对多组分Al-Cu-Mg-Si-Sc-Zr合金微观结构、机械性能和耐腐蚀性的影响机制。研究结果表明，选择适当的VED值可以有效提升合金的综合性能，为未来高性能铝合金的开发和应用提供了理论依据和技术支持。同时，该研究也为LPBF技术在多组分合金制造中的进一步优化提供了新的方向，有助于推动先进制造技术的发展。