增材制造高强度铝合金中微观结构异质性对宏观与微观力学行为影响的解析

《Materials & Design》：Deciphering the effect of microstructural heterogeneities on the macro- and micro-mechanical behaviour of additively manufactured high-strength aluminium alloys

　　

研究人员首次采用高分辨率微观数字图像相关(μDIC)测量捕获了PBF-LB/M工艺制备Scalmalloy?中的应变累积过程。应变优先分配至粗晶(CG)团簇，并在细晶(FG)/粗晶界面处出现严重应变局部化。FG团簇被提出不成比例地驱动更大的应力跌落，而较小锯齿更可能反映两种微观结构区域的共同贡献。晶粒尺寸、L12析出相分数、溶质过饱和度以及几何必要位错(GND)密度分布是影响宏观/微观塑性的 Responsible 微观结构特征。

研究背景与立项依据

金属增材制造（特指粉末床激光熔融，PBF-LB/M）在生物医疗、航空航天及汽车模具领域因近净成形与轻量化优势而广受关注。铝及其合金因高比强度与耐蚀性成为PBF-LB/M理想候选。添加Zr、Sc等元素可在熔池边界（MPB）形成共格Al₃X（X=Zr,Sc,Ti等）纳米析出相作为形核剂，使高强度铝合金（如Scalmalloy?，一种Al-Mg系5xxx商用合金）呈现双峰组织：熔池边界细晶（FG）团簇与熔池内部粗柱晶（CG）交替分布，并伴随L1₂析出相分数、溶质过饱和度及初始位错密度空间异质。尽管已有研究通过微柱压缩、纳米压痕-电子背散射衍射（EBSD）关联等手段分别考察FG/CG的硬化差异与裂纹偏折，但关于FG/CG区域内变形协调的定量刻画及其与宏观锯齿流变（Portevin-Le-Chatelier效应）的跨尺度关联仍属空白。为阐明增材铝合金特有异质性的位错容纳机制并指导组织调控，研究人员以PBF-LB/M Scalmalloy?为对象，开展多尺度实验表征，关联微观应变分配与宏观力学响应。该文发表于《Materials》。

主要关键技术方法

研究人员采用PBF-LB/M（370 W激光功率、170 μm扫描间距、1100 mm/s、30 μm层厚、双向90°旋转扫描）制备Scalmalloy?块体，相对密度≥99.5%，加载方向沿构建方向（BD）。样本队列包括狗骨宏拉/平微拉/圆柱压缩试样（电火花线切割提取）。微观表征用扫描电镜（SEM）电子通道衬度成像（ECCI）、EBSD、透射电镜（STEM-EDS）、原子探针层析（APT）定位FG/CG；力学端组合宏观拉伸/压缩（-75~75 °C，5×10^-5~2×10^-1 s^-1）、原位μDIC（VIC-2D，子集70×70像素）、中断拉伸-EBSD算几何必要位错（GND）密度（OpenXY）、相关纳米压痕（2 mN，5 μm间距）、FIB微柱压缩（～14 μm高，～2.5 μm径，10^-3 s^-1）。

研究结果

3.1 建成态微观结构表征

IPF图显示MPB处FG平均0.7±0.2 μm（面积分数10%），MPI处CG平均3.6±2.4 μm（90%）。BSE与HAADF-STEM-EDS表明FG富Al₃Sc/Zr的L1₂析出及Al-Mg-Fe-Si金属间物，CG仅晶界Mg偏聚无Sc富集；APT确认FG基质Sc过饱和0.45~0.46 at%，CG基质Sc达1.55 at%（单针局限）。ECCI示CG粗位错结构、FG细胞状位错。{001}极图显CG近BD弱织构、FG近随机。

3.2 宏观力学性质

宏拉在-50~75 °C出现PLC锯齿，η（应力幅/平均应力）与μ（锯齿间应变间隔）随温度应变率演化；屈服强度σ_YS～395 MPa级，均匀应变ε_U 10–15%。压缩同应变率下无锯齿。

微观变形分配（μDIC+中断EBSD）

μDIC首测Scalmalloy?全场应变：应变优先入CG团簇，FG/CG界面严重局部化。中断EBSD示GND密度演化——FG因晶界湮灭早期软化、CG因位错累积硬化；FG团簇主导大应力跌落，小锯齿为两区共同贡献。

纳米压痕与微柱压缩

相关纳米压痕（800点）硬度CG/FG建成态差～0.2 GPa；FIB微柱压缩显FG高屈服后应变软化（缺可动位错），CG持续硬化（高位错活度），与宏样FG强CG韧互补。

讨论与结论翻译

讨论指出，双峰FG/CG异质通过晶粒尺寸、L1₂分数、溶质过饱和、GND分布四维耦合调控宏微观塑性；FG以应变容纳与应力跌落为主，CG以应力承载与延性贡献为主，界面局部化为损伤前兆。PLC锯齿类型/严重度由Mg-Sc溶质交互与析出剪切/奥罗万绕越转换控制。

结论：研究人员首次通过μDIC直接定量PBF-LB/M Scalmalloy?中FG/CG应变分配，确立晶粒尺寸、L1₂析出相分数、溶质过饱和度及GND密度分布为驱动宏微观塑性的核心微观特征；FG团簇不成比例引发大应力跌落，应变优先于CG积聚且于FG/CG界面局部化；该多尺度框架将增材铝合金特有异质性变形机制与宏观锯齿流变直接桥联，为按力学性能目标反向设计扫描策略与合金化提供实验基准。