增材制造AlCr4Mo1.5ScZr过程中形成的一种新金属间化合物相的鉴定

《Scripta Materialia》：Identification of a new intermetallic phase formed during additive manufacturing of AlCr4Mo1.5ScZr

　　

在AlCr4Mo1.5ScZr合金中发现了一种新的金属间化合物相：立方W相，该相在激光粉末床熔融（PBF-LB/M）和离心雾化过程中经历的快速凝固条件下形成。在粉末原料中，该相主要存在于小于25 μm的小尺寸颗粒中。随着粉末颗粒尺寸增大，凝固速率降低，该相的分数逐渐减小。W相具有Fd-3m立方晶体结构、致密形貌，并富集Cr、Mo、Sc和Zr，而该合金中通常报道的单斜Al45(Cr, Mo)7相则呈树枝状形貌，且在室温下热力学稳定。W相的检测表明，AlCr4Mo1.5ScZr快速凝固过程中相形成强烈依赖于局部热条件，并且形成该相需要高于10⁴–10⁵ K/s的极高冷却速率。

研究背景
增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术快速发展，其中激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M）能够制造高度复杂的几何零件，但可用合金种类有限。铝合金兼具高比强度、良好的加工性和耐蚀性，但传统高强铝合金（如7000系）在PBF-LB/M中易产生热裂纹。已有为增材制造开发的Scalmalloy?合金含镁，而镁在熔融过程中易蒸发，影响成形工艺。为此，研究人员开发了不含镁的Scancromal?合金系列。AlCr4Mo1.5ScZr是该系列中的高合金化变体，前期研究已鉴定出其金属间化合物相为Al45(Cr, Mo)7和L12-Al3(Sc, Zr)。然而，在快速凝固条件下是否形成其他非平衡相尚不清楚，这直接影响合金的显微组织与性能调控。

研究技术方法
本研究的粉末原料由Toyo Aluminium K.K.采用离心雾化工艺制备，雾化气氛为氮气。PBF-LB/M成形采用EOS M290设备，激光功率370 W，扫描速度1350 mm/s，体积能量密度为35.14 J/mm3。采用X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修分析不同粒径粉末的相组成；使用扫描电子显微镜（SEM）及电子背散射衍射（EBSD）观察粉末颗粒截面形貌和晶体取向；通过透射电子显微镜（TEM）的高角环形暗场像、能谱分析（EDS）和选区电子衍射（SAED）对W相进行成分和晶体结构确认；利用聚焦离子束（FIB）从粉末颗粒中提取薄片用于TEM观察。样品来源为工业离心雾化粉末及PBF-LB/M成形件。

研究结果
**W相的发现与微观组织特征**
通过TEM/EDS分析，研究人员在PBF-LB/M成形态AlCr4Mo1.5ScZr中发现金属间化合物除Cr、Mo外还明显富集Sc和Zr，这与以往仅报道θ-Al45(Cr, Mo)7相的认识不同。显微组织显示存在两种形貌的富Cr、Mo析出相：一种为块状致密形貌，另一种为树枝状形貌。对粉末颗粒的系统SEM观察表明，大颗粒（D > 56 μm）中以树枝状为主，而小颗粒（D < 25 μm）中块状形貌占主导。EDS定量分析显示，块状析出相含有较高的Sc和Zr（Sc约1.8 at.%，Zr约0.4 at.%），而树枝状相中Sc和Zr极低。

**相分数与粉末颗粒尺寸的关联**
通过筛分获得不同粒径范围的粉末并进行XRD-Rietveld定量分析，结果显示：D < 25 μm的粉末中W相含量高达约19.4 wt.%，而θ-Al45(Cr, Mo)7仅约5.5 wt.%；D > 56 μm的粉末中θ相约21 wt.%，W相约1.6 wt.%；中等粒径（25 < D < 56 μm）粉末中两者比例居中，并含有约23 wt.%的过饱和铝固溶体。L12-Al3(Sc, Zr)相在所有粒径中均约1 wt.%，无显著粒径依赖性。该结果明确证明了块状富Sc、Zr析出相即为新发现的W相。

**W相的晶体结构与成分分配**
XRD和SAED共同确认W相具有Fd-3m空间群（No. 227）的立方晶体结构，晶格常数a = 14.447 ?，其原型为Al18Cr2Mg3。在结构精修中，Cr/Mo占据Cr的原子位置，Sc/Zr占据Mg的位置。SAED沿[111]、[112]和[323]晶带轴的衍射花样与XRD结果一致，首次将该相的块状形貌、化学成分和晶体学特征直接关联。根据EDS结果计算元素分配系数（K_M = C_M/C_M,bulk）表明，W相中Cr、Mo、Sc、Zr的分配系数均大于1（Sc最高约5.5），而θ-Al45(Cr, Mo)7中Sc的分配系数小于1，即贫Sc。这说明W相在极高冷却速率下形成时，溶质截留效应显著，而θ相则在较低冷却速率下稳定析出并排斥Sc。

讨论与结论
根据文献中离心雾化粉末粒径与冷却速率的对应关系，研究人员估计形成W相需要高于10⁴ K/s，甚至可能高于10⁵ K/s的冷却速率。在PBF-LB/M成形态中也检测到少量W相，表明实际熔池局部区域达到了该冷却条件。该相的形成与局部热条件密切相关。由于Sc和Zr是Scancromal?合金中L12-Al3(Sc, Zr)沉淀强化相的关键元素，W相的析出会消耗Sc和Zr，从而可能与该合金的时效硬化能力形成竞争。因此，在PBF-LB/M中通过选择合适工艺窗口精确控制冷却速率，对AlCr4Mo1.5ScZr合金的显微组织和力学性能优化至关重要。本研究鉴定出的W相是快速凝固过程中的一种新非平衡相，进一步研究其对该合金性能的影响将有助于完善合金设计与工艺调控。