揭示含适量镁的Al-Mg-Si-Sc-Zr-Mn合金的SLM（选择性激光熔化）工艺-微观结构-性能之间的关系

《Materials & Design》：Unveiling the SLM process-structure–property relationship of a moderate Mg content Al-Mg-Si-Sc-Zr-Mn alloy

本文开发了一种新型Al-Mg-Si-Sc-Zr-Mn合金，通过优化选择性激光熔化（SLM）工艺参数（200-230 W激光功率，1050-1150 mm/s扫描速度），研究了其工艺窗口与微观结构（细晶、高密度位错、9R相、纳米析出相）及力学性能（抗拉强度439 MPa，延伸率11.3%）的关联。时效处理（325℃×4h）使强度增至483 MPa，但延伸率降至6.5%。该合金在航空航天等轻量化应用中展现出高强度与良好加工性的平衡。

　　这项研究探讨了通过选择性激光熔化（SLM）技术制造一种新型的Al-Mg-Si-Sc-Zr-Mn合金的工艺-结构-性能关系。SLM技术因其能够制造具有复杂几何形状和轻量化结构的高精度铝合金部件，而在航空航天和电动汽车等领域展现出巨大潜力。然而，目前高强铝合金的打印性能仍然受到打印过程中易产生裂纹以及微结构控制复杂性的影响。为了克服这些限制，研究团队设计了一种含有特定合金元素的新型Al-4.79Mg-1.3Si-0.51Sc-0.27Zr-0.47Mn（重量百分比）合金，并通过SLM工艺进行了加工。该合金的打印参数经过系统优化，实现了高密度和优良的打印性能，为高强轻质材料的制备提供了一种新的可能性。

研究团队首先制备了符合特定成分要求的合金粉末，采用气体雾化技术确保了粉末的球形度和均匀性。随后，通过三轮参数优化策略，确定了最佳的打印参数范围，包括激光功率200-230瓦和扫描速度1050-1150毫米/秒，对应的体积能量密度（VED）为60-73焦耳/立方毫米。这一参数范围能够有效减少裂纹的产生，同时保持高相对密度，超过99.5%。通过进一步的微结构分析和机械性能测试，研究团队揭示了激光能量密度对熔池中柱状晶粒的形成和亚晶结构的扩展具有促进作用，同时促使Mg?Si相由连续分布转变为不连续的枝晶形态。

在微结构特征方面，通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等手段，研究团队观察到了合金中复杂的晶粒结构和位错分布。在特定的激光功率和扫描速度下，形成的纳米级孪晶和9R相不仅提升了合金的强度，还保持了良好的延展性。在打印过程中，激光功率和扫描速度的调整直接影响了材料的热输入、温度梯度和冷却速率，从而影响了晶粒的形成和位错的分布。这些因素共同作用，导致了不同的微结构特征和机械性能表现。

在机械性能方面，打印后的合金表现出439兆帕的抗拉强度和11.3%的延伸率，而经过时效处理后，强度进一步提升至483兆帕，延伸率下降至6.5%。这些性能的提升主要归因于合金中形成的纳米级Al?(Sc, Zr)析出相、Mg?Si相的形态变化以及高密度位错结构的形成。时效处理促进了这些析出相的进一步析出和分布，从而显著增强了材料的强度，但也对延展性产生了一定的影响。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）对断裂表面的观察，揭示了材料在拉伸过程中表现出的韧性断裂和脆性断裂的混合模式，这为理解材料的失效机制提供了重要依据。

研究还发现，不同的打印参数对合金的性能有着显著的影响。例如，高激光功率和低扫描速度会导致较大的热输入，从而促进裂纹的形成和非均匀析出相的出现，这会降低材料的强度和延展性。而适中的激光功率和较高的扫描速度则有助于形成均匀的微结构和高密度的合金材料，从而实现较好的机械性能。同时，研究团队还通过X射线衍射（XRD）分析了合金中的相组成和残余应力，揭示了激光能量密度对晶格畸变和残余应力的影响。

该研究不仅为高强轻质铝合金的SLM制造提供了重要的工艺参数指导，还为未来在航空航天、电动汽车等领域的应用奠定了基础。通过平衡打印性能和材料性能，该合金在保证高强度的同时，也保持了良好的经济性和加工适应性，展现出广泛的应用前景。此外，研究团队还对不同合金元素在微结构形成和性能提升中的作用进行了深入分析，为未来合金设计和工艺优化提供了理论支持和实验依据。