增材制造 Al-Fe-Cr-Sc-Zr 合金在 400 °C 下长期暴露后由热稳定纳米析出相诱导的强度保持

《ACTA MATERIALIA》：Strength retention induced by thermally stable nanoprecipitates in an additively manufactured Al-Fe-Cr-Sc-Zr alloy after long-term exposure at 400 °C

　　使用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术增材制造的耐热铝合金在高达400°C的轻量化结构应用中具有前景。然而，在长期热暴露下，由于通过奥斯特瓦尔德熟化机制的析出相粗化，它们通常会遭受明显的强度下降。本研究聚焦于一种PBF-LB Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金，该合金在400°C/200小时暴露后仍保留约60%的屈服强度，并详细调查了其微观组织演变及其保持强度背后的机制。结果表明，热稳定性由晶粒结构、共格L1?粒子以及富Fe/Cr析出相共同控制。特别是，在Sc/Zr修饰的θ'复合析出相中独特的元素界面偏聚特征——即富Fe核心被Sc/Zr偏聚层包裹并具有富Cr终端区域——抑制了原子扩散和析出相粗化，从而保持了强度，抵抗奥斯特瓦尔德熟化引起的软化。通过正电子湮没寿命谱学阐明了长期热暴露期间这种θ'复合析出相的空位介导形成机制。铝合金因其低密度和高比强度而广泛应用于航空航天领域。对能够在200-400°C下服役的复杂几何形状轻量化部件的需求推动了增材制造耐热铝合金的发展，这些合金可以部分替代钛合金。迄今为止，已报道了一系列高强度、耐热铝合金。例如，增材制造Al-Fe-V-Si合金在400°C下可保持225 MPa的抗拉强度，以及增材制造Al-Ce-Ni-Mn-Zr合金在400°C和50 MPa下表现出低于10??/s的蠕变速率。然而，在实际工程应用中，许多结构部件经历涉及长期高温暴露后在室温下运行的循环工况。在这种情况下，关键要求不仅是高温强度，还包括冷却回至环境温度后保持足够力学性能的能力。因此，长期热暴露后的强度保持率已成为决定增材制造铝合金可靠性和使用寿命的关键指标。从微观组织角度来看，许多增材制造铝合金中强度保持率的下降主要是由于长期热暴露期间强化相不可避免的粗化或溶解，这是由于构成析出相的溶质原子短程扩散增强，通过奥斯特瓦尔德熟化机制所致。相应地，提高增材制造铝合金强化相热稳定性（特别是细小析出相）的广泛采用策略包括通过微合金元素在析出相/基体界面诱导溶质偏聚。溶质偏聚屏蔽了析出相免受周围基体的影响并抑制析出相粗化，从而有助于提高耐热性。众多研究表明，Zr、Sc和Er等稀土元素在合金的人工热暴露期间的界面偏聚中发挥作用，有效提高了二次析出相的热稳定性。除了稀土元素外，Poplawsky等人发现，在Al-Cu合金中Mn和Zr/Ti的联合添加对θ'析出相也有效，因为Mn延缓θ'粗化并促进Zr原子缓慢偏聚于共格θ'/Al界面。这形成了在300°C以上稳定的θ'/L1?-Al?(Zr, Ti)共析出相架构。此外，Du等人报道，Al-Cu-Mg-Ag合金在200°C热暴露100小时后强度保持率约为97%，这是由层次化微观组织实现的，该组织包含Sc富集偏聚层、共格θ'界面的χ-AgMg界面相以及半共格边界的L相。这些特征共同通过降低界面移动性和溶质扩散来抑制θ'粗化。除了Al-Cu体系外，Theska等人发现Zr在Al基体/Al?Cu?Ce界面的偏聚起到有效的扩散屏障作用，显著提高了Al?Cu?Ce析出相抵抗奥斯特瓦尔德熟化的热稳定性。这些扩散控制实例突显了多种耐热结构的共析出和界面偏聚是提高增材制造铝合金强度保持率的有效途径。值得注意的是，大多数关于长期热暴露后强度保持的先前研究都聚焦于通过Al?Cu相关析出相强化的2xxx系列合金，而不是专门为高温服役条件设计的新兴增材制造铝合金，如Al-Fe、Al-Ce和Al-Ni基合金。这一差距在更高温度范围（300-400°C）至关重要，并直接关系到下一代航空航天部件。在这些新型增材制造铝体系中，Al-Fe基合金由于快速凝固下形成的富Fe相的固有热稳定性，表现出所有报道的耐热铝合金中最高的强度水平。例如，Al-5Fe-6Cr合金的室温抗拉强度超过约550 MPa，在200°C下保持约350 MPa的屈服强度，而Al-Fe-Cr-Ti合金在200°C下表现出约420 MPa的更高屈服强度。优异的高温强度通常归因于富Fe相的高熔点、低扩散率和缓慢的粗化动力学。然而，Al-Fe-Cr合金中此类富Fe相总是处于金属间化合物或准晶态，在长期热暴露中不可避免地发生粗化和形态转变，因此在热循环后失去强化效果。因此，通过合金设计或稳定化机制提高其热稳定性对于实现持续的高温性能至关重要。最近，我们开发了一种具有优异高温强度和蠕变抗力的PBF-LB Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金。这种增材制造耐热铝合金表现出令人满意的高温性能，在300°C下屈服强度约为305 MPa，在400°C下约为190 MPa，在200-400°C下具有蠕变抗力，并具有大型零件突出的可加工性。在本工作中，我们系统地调查了其在长期热暴露后的强度保持性能以及不同时间阶段相应的微观组织演变。结果表明，在400°C热暴露超过200小时后具有高强度保持率。这些发现表明，与传统观点相反，热演变的Al-Fe二次相在适当稳定化时对保持强度起着有益作用。因此，透彻理解一次和二次相的粗化和稳定化机制对于准确预测Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金的服役可靠性和寿命至关重要。在此背景下，特别强调(i)一次相的转变和热稳定性，以及(ii)热暴露期间Sc和Zr的界面偏聚行为及其对热驱动二次相的稳定性和强化贡献的影响。通过建立界面能、替代能量学和力学响应之间的关联，本研究旨在为强度保持背后的基本机制提供更深入的见解，并支持开发使用寿命更长的耐热增材制造铝合金。球形Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金原始粉末使用真空雾化技术制备。经筛分后，选择15-53 μm尺寸范围的粉末进行激光粉末床熔融处理。试样使用商用BLT-A160系统制造，该系统配备400W光纤激光器和100 μm光斑尺寸。本研究试样的PBF-LB使用了以下优化参数组合：225 W激光功率，1200 mm/s扫描速度，0.03 mm如图1a所示，与在不同温度下热暴露4~200小时的多种铝合金相比，本研究考察的Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金在热暴露后表现出最佳的强度和热稳定性组合。在400°C暴露后，该合金表现出超过60%的强度保持率，即热暴露前后屈服强度的比率。没有强度Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金在低于400°C的长期高温热暴露后表现出良好的强度保持。本增材制造铝合金在400°C暴露后的明显强度下降源于多种热激活微观组织变化的相互作用。与先前报道的耐热铝合金类似，所涉及的微观组织变化包括析出相分解和粗化、初始在本研究中，系统地调查了增材制造Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金的微观组织演变和热稳定性，重点是其400°C长期热暴露后的室温强度保持以及从多种纳米析出相热稳定性角度考虑的潜在微观组织机制。本研究可得出以下一些关键结论。(1) 热处理后，合金形成R. L.提出并监督了项目。Y. W.执行了大部分性能测量和表征。T. W.和C. Y.进行了DFT计算。Y. W.、X. X.、C. Y.、K. G、T. Y.和R. L.分析了数据。Y. W.、T. W.、C. Y.、K. G.、T. Y.和R. L.参与了结果讨论。Y. W.和X. X.制备了样品。Y. W.、K. G.、U. R.和R. L.构思了手稿。U. R.审查和编辑了手稿。最终版本由所有人批准Wang: 撰写-原始草稿，调查，数据整理。Li: 撰写-审查与编辑，监督，资金获取。Gan: 撰写-审查与编辑，方法学，资金获取。Wang: 验证，数据整理。Yu: 验证，数据整理。Xia: 调查，数据整理。Yuan: 资源，方法学。Ramamurty: 撰写-审查与编辑。