多纳米沉淀强化铝钪合金的增材制造：基于竞争性成核-生长模型的设计与性能优化

激光粉末床熔融（LPBF）技术为复杂几何结构铝合金部件的制造提供了新途径，但现有Al-Si系合金强度不足制约了其应用。本研究通过建立融合成核与生长竞争关系的沉淀强化模型（PSF），设计出具有三模态纳米沉淀结构的Al-4.2Mg-0.7Mn-1.1Sc-0.5Zr-0.6Cu-0.1Zn-0.1Fe（wt.%）合金。该合金经300℃时效后屈服强度达650 MPa，延伸率4.7-11%，其多尺度协同强化机制为高强韧铝合金的增材制造提供了新范式。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化需求日益增长的背景下，铝合金因其优异的强度重量比成为关键结构材料。然而传统铸造铝合金在激光粉末床熔融（LPBF）增材制造中存在两大瓶颈：一是Al-Si系合金强度难以突破400 MPa，二是高强7xxx系铝合金易出现热裂纹。更棘手的是，LPBF过程中高达10⁶ K/s的冷却速率会形成高度异质的微观结构，而常规沉淀强化模型无法准确预测非平衡态下的析出行为。这些限制严重制约了增材制造铝合金在承重部件中的应用。

为突破这些限制，中国的研究团队创新性地提出"竞争性成核-生长"强化模型，设计出新型Al-Sc-Zr-Mg-Mn-Cu多元合金。该研究通过整合热力学计算、微观结构表征和力学性能测试，成功实现了三模态纳米沉淀的协同调控。相关成果发表在《Materials》期刊，为高强韧铝合金的增材制造提供了全新的材料设计思路。

研究采用的关键技术包括：1）基于CALPHAD（计算相图）和Zener生长模型的沉淀强化因子（PSF）计算；2）激光粉末床熔融（LPBF）成形工艺优化；3）透射电子显微镜（TEM）结合原子探针断层扫描（APT）的多尺度表征；4）时效热处理工艺调控。

【微观结构表征】通过EBSD分析发现合金呈现熔池边界超细晶（UFGR）、过渡区细晶（FGR）和中心柱状晶（CGR）的三模态分布，平均晶粒尺寸1.47μm。APT显示时效后形成2 nm级L1₂-Al₃(Sc,Zr)（简称Al₃X）和10-20 nm的T相（Al₂Mg₃Zn₃）双相纳米沉淀。

【沉淀演化机制】热力学计算揭示：Sc含量1.1 wt.%时PSF达到峰值，此时临界形核半径r_c=2 nm。时效过程中，亚稳S相（Al₂CuMg）分解为T相，而Sc、Zr通过固态扩散形成次生Al₃X，二者共同构成"析出相双峰分布"。

【力学性能】300℃时效4小时后，合金屈服强度提升55%至650 MPa，延伸率保持11%。强度贡献分析显示：晶界强化（31%）、沉淀强化（31%）、热膨胀系数（CTE）失配强化（22.6%）和固溶强化（15.4%）构成四重强化机制。

该研究的突破性在于：1）建立首个考虑析出相动态演化的PSF模型，实现Sc含量的精准优化；2）通过LPBF非平衡凝固获得Sc过饱和固溶体，为时效析出奠定基础；3）发现T相与Al₃X的协同强化效应。这种"三模态晶粒+双尺度沉淀"的架构设计，不仅解决了LPBF铝合金强度-塑性倒置难题，更将稀土元素Sc的用量控制在工业可行范围（<1.5 wt.%），为航空航天复杂构件的近净成形提供了材料基础。研究提出的复合强化策略可拓展至其他沉淀强化合金体系，对推动结构材料的设计范式变革具有重要指导意义。