经选择性激光熔化加工的无镁 Nd 改性 Al-Mn-Sc 合金在高温强度增强的同时保持了室温性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced high-temperature strength with retained ambient-temperature performance in a Mg-free, Nd-modified Al-Mn-Sc alloy processed by selective laser melting

　　

摘要

选择性激光熔化的 Al-Mn-Sc 合金作为增材制造耐热铝合金引起了广泛关注，这得益于其优异的室温强度和出色的高温微观组织稳定性。然而，大多数报道的 Al-Mn-Sc 合金依赖 Mg 添加来实现固溶强化。由于 Mg 的高扩散率，这些合金表现出相对较低的高温强度，限制了其高温应用。在铝合金中添加 Nd 促进富 Nd 金属间化合物和准晶相的形成，从而增强高温强度。本研究设计了一种无 Mg、Nd 改性的 Al-Mn-Sc 合金，并系统研究了其在室温和高温下的微观组织和拉伸性能。沉积态的 Al-5Mn-0.7Sc-0.3Zr-0.3Nd 合金表现出 310 MPa 的屈服强度。在 325 °C 时效 9 h 后，形成了细小弥散的二次 Al₃Sc 析出相，产生了显著的模量强化效应，将屈服强度提升至 470 MPa。在 250 °C 和 8.3×10^-5s^-1 应变率下，该合金实现了 244 MPa 的屈服强度，比其他报道的 Al-Mn-Mg-Sc 合金高 19%-55%。高温屈服强度的增强归因于 Nd 微合金化形成的 Al₈Mn₄Nd 金属间化合物和准晶相，它们有效地阻碍了晶界迁移并限制了位错运动。

引言

航空发动机附件部件等高性能轻量化航空设备的不断进步，激发了对能够在 250-350 °C 温度范围内稳定运行的增材制造铝合金的广泛研究 [1]。因此，开发适用于选择性激光熔化 (SLM) 的新型耐热铝合金，并阐明其工艺 - 组织 - 性能关系，已成为增材制造铝合金领域的重要研究方向。

Al-Mn-Mg-Sc 合金作为一类沉淀强化合金，因具有优异的室温机械性能以及热稳定纳米级 Al₃Sc 析出相和 Al₆Mn 金属间化合物的存在，已被广泛研究用于高温应用 [2], [3]。通过优化主要合金元素（如 Mn、Mg 和 Sc）的含量及热处理参数，这些合金的室温极限抗拉强度 (UTS) 通常超过 500 MPa。例如，Hua 等人 [4] 报道，一种 Al-4.95Mn-1.5Mg-0.82Sc-0.76Zr-0.16Fe 合金在 300 °C 退火 5 h 后，实现了 549 MPa 的室温 UTS 和 440 MPa 的屈服强度 (YS)。然而，这些合金的高温强度仍然不足，在 250 °C 时 UTS 总是低于 250 MPa。Wang 等人 [5] 报道，一种 Al-4.49Mn-1.38Mg-0.79Sc-0.63Zr 合金在 250 °C 和 1×10^-4s^-1 应变率下，UTS 仅为 176 MPa。同样，Liu 等人 [6] 发现，一种 Al-3.04Mn-1.60Mg-0.78Sc-0.22Zr-0.06Fe-0.06Si 合金在 250 °C 和 8.3×10^-5s^-1 应变率下，水平和垂直样品的 UTS 值分别为 232 MPa 和 195 MPa。

众所周知，Al-Mn-Mg-Sc 合金系统通常含有超过 1 wt% 的 Mg，这对固溶强化贡献显著 [7]。然而，Mg 在 Al 中的扩散系数远高于 Mn、Sc 和 Zr，阻碍了具有良好热稳定性相的形成 [3]。因此，减少或消除 Mg 是增强这些合金高温强度的可行策略。例如，一种 Mg 含量较低的合金 (Al-4.46Mn-1.09Mg-0.8Sc-0.64Zr) 在 250 °C 和 3×10^-4s^-1 应变率下实现了 240 MPa 的 UTS [8]。Li 等人 [9] 进一步报道，一种无 Mg 的 Al-4.88Mn-0.16Fe-0.42Sc-0.15Zr 合金在时效后，在 250 °C 和 1×10^-3s^-1 应变率下达到了 272 MPa 的 YS。然而，减少或去除 Mg 可能会损害室温强度。

稀土元素常用作耐热铝合金的合金添加元素，因为它们可以形成热稳定的金属间化合物或准晶相，从而增强高温强度 [3]。Prashanth 等人 [10] 通过 SLM 制备了一种 Al₈₅Nd₈Ni₅Co₂ (at%) 合金，并报道了在 303-573 K 温度范围内，压缩强度从 1.0 到 0.5 GPa。这种高温强度归因于类似复合材料的微观组织，以及富 Nd 金属间化合物在高温下有效抑制了晶粒粗化和快速位错滑移 [10]。除了作为主要合金元素外，Nd 也被用作微合金元素来改善机械性能。例如，Han 等人 [11] 向一种 Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg 合金中添加了 0.2 wt% Nd，发现 Nd 通过形成热稳定的金属间化合物显著增强了高温性能。Bai 等人 [12] 研究了 Al-Cu-Nd 三元合金系统，并确定了六种热力学稳定的三元金属间化合物，具有很高的热稳定性，有助于提高 Al-Cu 合金的微观组织热稳定性。此外，据报道，向快速凝固的 Al₈₀Mn₁₂Si₄ (at.%) 合金中添加 Nd 会阻碍晶体相的长程有序堆叠，并促进凝固过程中亚稳态二十面体短程有序 (ISRO) 的保留，从而促进含 Nd 准晶相的形成并减少 Al₆Mn 相的体积分数 [13]。

因此，本研究提出了一种新的设计概念，即设计一种无 Mg 添加、经 Nd 微合金化改性的 Al-Mn-Sc 合金，旨在提高微观组织热稳定性并增强高温机械性能。基于 SLM 工艺和热处理参数的优化，系统研究了该合金在成形态和时效态下的微观组织演变，以及其室温和高温拉伸性能。还分析了室温和高温下发生的强化机制。

章节摘要

材料

本研究使用的无 Mg、Nd 改性的 Al-Mn-Sc 合金粉末，标称成分为 Al-5Mn-0.7Sc-0.3Zr-0.3Nd (wt%)，由航空发动机集团北京航空材料研究院通过超声气雾化制备。粉末中主要元素的含量通过电感耦合等离子体原子发射光谱法 (ICP-AES) 测定，氧含量通过脉冲加热 - 红外吸收法测量。结果见表 1。含量

工艺与热处理参数优化

图 2 显示了在不同激光功率和扫描速度下制备的试样的孔隙形貌，以及相对密度与体积能量密度 (VED) 之间的关系。当 VED 超过 56 J/mm³ 时，微观组织中主要观察到圆形匙孔孔洞。相比之下，当 VED 低于 45 J/mm³ 时，存在不规则的未熔合 (LoF) 缺陷，如图 2a 所示。对相对密度的统计分析和曲线拟合

室温强化机制

微观组织观察和显微硬度结果一致表明，将 SLM 加工的 Al-Mn-Sc 合金在 310-340 °C 时效会导致细小弥散的纳米级二次 Al₃Sc 析出，提供显著的沉淀强化效应 [33]。因此，时效样本的显微硬度增加了超过 35%，在 325 °C 时效 9 h 后达到最大 44% 的提升。由于 Al₃Sc 相具有良好的热稳定性且不会

结论

通过设计一种无 Mg、Nd 改性的 Al-5Mn-0.7Sc-0.3Zr-0.3Nd 合金并优化工艺和热处理参数，系统研究了该合金在成形态和时效态下的微观组织、室温和高温拉伸性能。结合室温强化机制的分析，得出以下结论：

• (1)
  成形态合金表现出典型的层层熔池特征和双峰

CRediT 作者贡献声明

李沛永：写作 – 审查与编辑，资源，项目管理。 臧金鑫：监督，资源，项目管理，资助获取。 唐朋军：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，调查，形式分析。 王华明：写作 – 审查与编辑，监督，资源。 程旭：写作 – 审查与编辑，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由中国航发集团 (CXPT-2023-018) 支持。

唐朋军 | 王华明 | 李沛永 | 臧金鑫 | 程旭

北京航空航天大学航空发动机研究院，北京，100191，中国