原位非晶/晶体异质结构通过316L功能合金化技术，使得激光粉末床熔融AlMgErZr合金具有较高的强度和延展性

《Materials Science and Engineering: A》：In-situ amorphous/crystalline heterostructure enables high strength and ductility in laser powder bed fused AlMgErZr alloys via 316L functional alloying

针对激光粉末床熔融制备高强铝合金存在的裂纹敏感性和强度-韧性矛盾问题，本研究通过引入316L不锈钢作为功能添加剂，在AlMgErZr合金中形成亚微米至微米级胞状异质结构。通过调控Fe、Ni溶质引起的构型过冷，实现α-Al基体中纳米级非晶Al-Fe-Ni析出相与L1?-Al?(Er,Zr)纳米析出相的协同强化。优化后的2.5 wt%316L添加合金经时效处理后强度达686 MPa，延伸率5.4%，建立了裂纹抑制与高强设计的新范式。

　　

宾寅|雷琴|海胡|焕阳|赛义德·雷扎·埃尔米·侯赛尼|邓成|苏海军|周胜峰

济南大学先进耐磨与耐腐蚀材料及功能材料研究所，广州韶关研究院，510632，中国

摘要

高强度铝合金的增材制造面临两个根本性限制：裂纹敏感性和强度-延展性之间的权衡。为了解决这些问题，我们提出了一种原位合金设计策略，在激光粉末床熔融（LPBF）过程中通过引入316L不锈钢作为功能性添加剂来空间调控AlMgErZr合金的微观结构。随着316L含量的增加，溶质诱导的成分过冷促进了晶粒形态从柱状向胞状/树枝状的转变，从而形成了层次化的异质结构。在最佳添加量2.5 wt% 316L时，α-Al基体被由非晶Al-Fe-Ni纳米沉淀物、有序的L1₂-Al₃(Er, Zr)沉淀物和无序的Mg₂Si沉淀物组成的亚微米至微米级胞状网络所分割。这种设计通过强烈的负Al–Fe–Ni混合焓作为热力学驱动力，结合增强的构型熵和大半径（Er, Zr, Sc）及固溶体（Mg, Cr）元素引起的原子尺寸不匹配，促进了非晶相的形成。胞状网络作为增强载体，协调塑性变形以均匀化应变，从而实现了多种强化机制：非晶沉淀物通过界面介导的位错湮灭和奥罗万强化（Orowan strengthening），而L1₂纳米沉淀物则通过有序化和反相边界效应发挥作用。此外，Cr固溶体导致α-Al晶格畸变，316L中的Fe和Ni细化了等轴晶粒。因此，打印出的AlMgErZr-2.5 wt%316L合金表现出587 MPa的极限抗拉强度和10.5%的伸长率。特别是经过时效处理后，强度进一步提高到686 MPa（同时保持5.4%的伸长率），这归因于L1₂在非晶/α-Al和α-Al/α-Al界面处的再沉淀。这项工作为通过原位工程化非晶/晶态异质结构设计抗裂高强度铝合金提供了一个框架。

引言

航空航天和汽车工业越来越依赖铝合金作为轻质结构材料，因为它们具有出色的比强度和加工性能[1]。随着新能源汽车的快速发展，对具有增强机械性能的铝合金的需求也在增长。传统的强化策略——例如通过添加Ce、Cu或Fe形成金属间相（如Al₃Fe、Al₁₃Fe₄）——通常可以获得高强度（>10 vol%沉淀物），但代价是牺牲了延展性，这体现了经典的强度-延展性权衡[2,3]。在Al-Fe体系中，粗大的板状或针状金属间相会充当应力集中器，进一步加剧这一限制并影响成形性，甚至导致裂纹形成[4]。

增材制造技术的最新进展，特别是激光粉末床熔融（LPBF），为铝合金的微观结构控制开辟了新的途径。LPBF利用极快的冷却速率（10⁵–10⁸ K/s）和接近净形状的能力，实现了传统方法无法实现的精细沉淀物和亚稳态相[[5], [6], [7], [8], [9]]。例如，Qi等人[10]报道在LPBF处理的Al-2.5Fe合金中形成了纳米级的亚稳态Al₆Fe沉淀物，使其极限抗拉强度从120 MPa提高到299 MPa，同时保持了13.2%的伸长率。尽管取得了这些进展，但这些合金的性能仍低于商用LPBF Al-Si合金（>400 MPa）[11]和锻造7xxx系列合金（>500 MPa），这凸显了仅依赖精细沉淀物和亚稳态晶相的局限性。

用Sc/Zr进行微合金化已成为克服这些限制的一种有前景的策略。在Addalloy?等系统中，有序的L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米沉淀物同时细化晶粒并提高了机械性能，时效后的抗拉强度超过了500 MPa[[12], [13], [14]]。最近尝试用Er部分替代Sc以降低成本同时保持性能[15]，然而过量的金属间相形成往往会损害延展性，例如共晶Al-Fe-Sc-Zr合金的强度为489 MPa但伸长率仅为3.5%[16]，这突显了平衡强度和延展性的持续挑战。

为了解决这些问题，研究人员提出用非晶纳米颗粒替代结晶分散相[17]。在超高冷却速率下，可以抑制平衡结晶相的形成，从而可能形成非晶相[18,19]。虽然传统的快速凝固技术（如熔融旋压）仅限于生产带状或线状材料，但LPBF提供了在整体部件中引入非晶相的独特能力。Xu等人[20]证实非晶相的存在可以提高LPBF制造的Al-Fe-V-Si-Sc合金的强度和延展性，但其稳定机制仍不清楚，阻碍了合理的合金设计。

除了机械性能外，Sc/Zr微合金化还显著提高了LPBF生产铝合金的加工性能。LPBF过程中的快速凝固速率（0.1–5 m s^?1）会导致溶质富集、成分过冷和树枝状生长，从而导致粗大的柱状晶粒和晶间裂纹——尤其是在6xxx和7xxx系列等难以焊接的合金中[[21], [22], [23], [24]]。在这里，Sc/Zr发挥了双重作用：（1）L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米颗粒作为异质成核位点，促进等轴晶粒的形成并抑制柱状生长；（2）由此产生的细晶结构通过晶界滑移减缓了裂纹扩展，如在Sc/Zr改性的7xxx和6xxx系列铝合金中所证明的[[25], [26], [27]]。

鉴于LPBF中非晶相形成的局限性以及微合金化的潜力，我们提出了一种结合这两种方法的综合策略。受到多金属增材制造（例如Ti-6Al-4V/316L体系实现1.3 GPa强度和约9%伸长率的启发[28]），我们在LPBF过程中加入了316L不锈钢粉末（Fe-Cr-Ni-Mo）来设计一种异质Al-Mg-Er-Zr合金。这一设计带来了三个关键创新：（1）多元素非晶形成：316L引入了玻璃形成元素（Fe, Ni），扩展了单一元素添加的组成灵活性[29]；（2）协同的微观结构控制：Er/Zr细化晶粒并抑制裂纹，同时与316L溶质（Fe, Ni）的相互作用调节了凝固动力学和相选择。大半径元素（Er, Zr）和固溶体元素（Mg, Cr）进一步降低了非晶稳定的临界冷却速率；（3）异质强化：形成的无缺陷微观结构结合了非晶纳米颗粒和沉淀物，实现了多层次的强化机制。这项工作将非晶相设计和微观结构工程相结合，为通过原位多金属合金化制备高性能LPBF铝合金提供了途径。

样本制备和时效处理

AlMgErZr–x316L（x = 1, 2.5, 4, 5 wt%）合金使用商业气雾化AlMgErZr粉末（纯度99.5%，粒径15–53 μm）和316L不锈钢粉末（纯度99.9%，粒径15–53 μm）制备。粉末混合物使用Turbula T2F粉末混合器混合3小时后，通过LPBF工艺处理。粉末的形态如图S1a–f所示。AlMgErZr和316L不锈钢粉末的化学成分见表1。

工艺参数优化

为了制备无裂纹的AlMgErZr–x316L合金，系统研究了工艺参数对AlMgErZr–1wt.%316L合金致密化行为和机械性能的影响。图1a–d显示了在200 W激光功率下制备的AlMgErZr–1wt.%316L合金的光学显微镜图像，说明了扫描速度对成形质量的影响。在800 mm/s的扫描速度下，过高的激光能量密度会导致球形孔洞的形成

非晶相形成机制

高密度的非晶Al–Fe–Ni纳米沉淀物对于提高LPBF生产的AlMgErZr–2.5 wt%316L合金的强度和延展性至关重要。为了阐明其背后的机制，有必要研究LPBF过程中的快速凝固行为和非晶相形成的基本条件。值得注意的是，一些基于铝的体系，如Al–Zr–LTM（LTM = Fe, Ni, Co, Cu）、Al–Y–LTM和Al–Ni–Y，已知具有较高的玻璃形成能力（GFA）

结论

我们提出了一种原位合金设计策略，在激光粉末床熔融（LPBF）过程中通过引入316L不锈钢作为功能性添加剂来空间调控AlMgErZr合金的微观结构。主要发现总结如下：

• (1)
  通过工艺参数优化（激光功率：200 W，扫描速度：850 mm/s，层厚：30 μm），成功制备了相对密度超过98%的AlMgErZr–316L异质铝合金

CRediT作者贡献声明

宾寅：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，形式分析，数据管理。雷琴：可视化，验证，方法学，研究，形式分析，数据管理。海胡：可视化，方法学，研究。焕阳：验证，方法学。赛义德·雷扎·埃尔米·侯赛尼：验证，方法学，研究，数据管理。邓成：验证，方法学。苏海军：监督，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：92166112, 52373236 和 52271132）、广东省自然科学基金（项目编号：2024A1515010658）、广东省国际科技合作项目（项目编号：2023A0505050103）、广西信息材料重点实验室（项目编号：231033-K）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024B1515120031）的支持