粉末床熔融-激光束制备新型Al-Mg-Si-Zr-Ce合金中机械强度与导热性的协同增强机制

针对轻量化热管理材料中强度与导热性难以兼顾的难题，研究人员通过粉末床熔融-激光束（PBF-LB）技术开发了新型Al-Mg-Si-Zr-Ce合金。通过Zr微合金化和T6热处理，实现了99.49%的高致密度和双模态微观结构，屈服强度提升50.5%，导热性提高63.3%。该研究为增材制造铝合金在航空航天热管理系统的应用提供了新思路。

　　

随着高功率电子、航空航天等领域对轻量化热管理材料的需求激增，传统铝合金面临强度与导热性此消彼长的困境。粉末床熔融-激光束（PBF-LB）技术虽能制造复杂结构，但6xxx系铝合金存在严重热裂纹倾向，且导热性（通常<150 W/m·K）难以满足先进散热需求。更棘手的是，强化相（如Mg₂Si）的引入会加剧晶格畸变，进一步降低导热性能。如何通过材料设计与工艺创新打破这一"强度-导热性权衡"，成为亟待解决的科学难题。

中国的研究团队通过原位合金化策略，在Al-Mg-Si-Ce基体中加入1 wt% ZrH₂，利用PBF-LB技术制备新型合金。研究发现，Zr的添加促使L1₂结构Al₃Zr纳米颗粒异质形核，将粗大柱状晶转变为等轴晶与细柱状晶的双模态结构，完全抑制了热裂纹。经T6热处理后，合金屈服强度达280 MPa，导热性提升至160 W/m·K，实现了性能的协同突破。这项发表于《Materials》的研究，为增材制造高性能热管理材料提供了新范式。

研究采用真空感应熔炼气体雾化（VIGA）制备基体粉末，通过机械混合掺入纳米ZrH₂。采用EP-M150系统进行PBF-LB成形，优化激光功率（200-350 W）和扫描速度（800-1200 mm/s）获得138 J/mm³的最佳体积能量密度。通过XRD、EBSD和TEM分析微观结构演变，结合激光导热仪测试热扩散率与比热容，计算导热性能。

3.1 铸态合金微观结构
Zr改性使相对密度提升至99.49%，未改性合金则出现沿构建方向（BD）的裂纹网络。EBSD显示1Zr改性合金形成0.7μm等轴晶（占14.85%）与3.4μm柱状晶（85.15%）的双模态组织，平均晶粒尺寸从77μm降至3μm。TEM证实Al₃Zr与基体完全共格，而Mg₂Si在柱状晶界优先析出，呈正交结构（图10）。

3.2 T6处理后性能提升
热处理使1Zr改性合金形成4.12μm细晶（79.3%）与32.52μm粗晶（20.7%）的新双模态结构。XRD检测到Al₅Cu₇Zr、Zr₅Si₃等析出相（图13）。性能测试显示，T6处理后屈服强度提升50.5%，导热性增加63.3%，达到160 W/m·K（表4）。威廉姆森-霍尔分析表明，热处理后晶格畸变度从0.0659降至0.0377（图16）。

4.2 性能协同机制
强化主要源于晶粒细化（Δσ_Hall-Petch=43.82 MPa）和Orowan位错绕过机制（Δσ_Orowan=62.91 MPa）。导热性提升归因于：1）溶质原子析出降低晶格畸变；2）粗晶减少电子晶界散射。双模态结构中的粗晶促进热传导，而细晶维持高强度，实现性能解耦（图15b）。

该研究通过创新的Zr微合金化与PBF-LB工艺结合，突破传统铝合金性能瓶颈。提出的双模态结构设计理念，为其他金属材料的增材制造提供了普适性策略。研究成果对开发下一代航空航天热管理系统具有重要工程价值，同时为多尺度结构-性能关系研究提供了理论参考。