增材制造Al-Mg-Sc合金多孔结构的负应变率敏感性机理与能量吸收特性研究

这篇研究聚焦激光粉末床熔融(L-PBF)制备的Al-4.8Mg-0.7Sc合金（Scalmalloy）多孔结构，通过fcc-Voronoi[001]晶格设计，系统揭示了负应变率敏感性(nSRS)与孔隙率的关联机制。研究发现动态应变时效(DSA)和Portevin-Le Chatelier效应导致压缩过程中平台应力随应变率增加而降低，Al3Sc纳米沉淀相分布对力学性能具有关键调控作用，为航空航天能量吸收装备和个性化骨植入体设计提供了新材料优化策略。

　　

Highlight

激光粉末床熔融(L-PBF)制造的Al-4.8Mg-0.7Sc合金（商品名Scalmalloy）展现出卓越的压缩强度，这归功于两大机制：镁(Mg)原子在铝基体中形成固溶强化，以及钪(Sc)元素生成Al₃Sc沉淀相阻碍位错运动。值得注意的是，该合金在高载荷下表现出负应变率敏感性(nSRS)——这种"越慢越强"的反常现象源于镁原子与位错的动态交互作用：慢速变形时Mg原子能钉扎位错形成局部强化，而高速变形时则因溶质原子无法跟上位错运动导致强度下降，这种现象与动态应变时效(DSA)和Portevin-Le Chatelier效应密切相关。

Conclusion

通过L-PBF工艺设计不同孔隙率的Al-4.8Mg-0.7Sc合金晶格结构，室温动态压缩试验表明：

1）该合金呈现显著nSRS特性，其平台应力和能量吸收能力随应变率升高而降低；

2）基于菱形十二面体单元的fcc-Voronoi[001]结构展现出优异的变形均匀性，有效规避了多孔材料常见的局部应变集中问题；

3）孔隙率依赖性研究表明，Al₃Sc纳米沉淀相的空间分布是调控材料应变率响应的关键微观因素。这些发现为开发新一代轻量化抗冲击材料提供了重要理论依据。