富Mn析出相的固有本质：对其在SLM制造Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中裂纹形核作用的见解

《Journal of Alloys and Compounds》：The intrinsic nature of Mn-rich precipitates: insights into their role in crack nucleation in SLM-fabricated Al-Mg-Mn-Sc-Zr alloys

　　

摘要

晶界析出相（GBPs）是导致时效高强度Al-Mg-Mn合金塑性退化的关键因素。然而，关于选择性激光熔化（SLM）制备的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中富Mn析出相的晶体结构、化学成分及其在裂纹形核中的内在作用仍知之甚少。在此，我们确认富Mn析出相为L1?结构的Al₃(Mn, Si)，并通过第一性原理计算进一步研究了其固有物理性能。同时，利用分子动力学模拟系统研究了L1?-Al₃(Mn, Si)与位错之间的相互作用，以阐明原位拉伸变形过程中微观结构的应力演化。作为位错运动的障碍，此类析出相在裂纹萌生和扩展过程中均成为薄弱环节。研究结果为阐明析出相在兼具高强度和优异损伤容限的增材制造铝合金中的具体作用提供了有益见解。

引言

铝合金因其低密度、良好的加工性和耐腐蚀性，成为航空航天和汽车轻量化应用中不可或缺的结构材料[1]。增材制造（AM）能够实现复杂零部件的近净成形加工[2]、[3]，而选择性激光熔化（SLM）则能够制造致密、精密、高性能的零部件[4]、[5]。商用合金Scalmalloy?（Al-Mg-Sc-Zr）已在SLM应用中展现出显著潜力。Sc和Zr的添加促进了Al基体中析出共格Al₃(Sc, Zr)纳米析出相，从而起到细化晶粒和沉淀强化的作用，大幅提升强度和延展性[6]、[7]。此后，通过引入额外合金元素进一步提高强度上限并优化强塑协同性能变得越来越具有挑战性[8]。

已有研究表明，Mn的添加可提高合金的强度上限和高温使用潜力。Mn的低扩散系数与SLM的非平衡凝固相结合，促进了过饱和固溶体的形成，从而产生晶格应变以实现固溶强化[9]。在SLM条件下，Jia等人[10]报道了一种高Mn含量合金的屈服强度（YS）达560 MPa，显著超过了SLM Al-Mg-Sc-Zr体系的强度上限。然而，在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中，过饱和Mn倾向于在凝固过程中偏聚，导致富Mn析出相的形成[11]、[12]。第二相的分布、形貌和固有特性是影响此类合金延展性和抗断裂性能的关键因素[13]、[14]、[15]。除了Al₃(Sc, Zr)之外，Mg₂Si相在该合金体系中通常也存在，并已得到广泛研究[16]、[17]、[18]。尽管Mn的添加提高了合金的强度，但同时导致延伸率大幅降低[11]。观察到的延伸率降低显著超过了通常报道的强塑性反比关系。迄今为止，对富Mn析出相的研究仍不充分。系统阐明其固有物理性能，如晶体结构、化学成分、弹性模量和热力学稳定性，对于理解合金的力学行为至关重要。

本研究利用原子探针断层扫描（APT）定量分析了Al、Mg、Mn和Si等溶质元素的纳米级三维（3D）分布统计。采用透射电子显微镜（TEM）精确测定了富Mn析出相的晶体结构，并明确了其与基体的界面取向关系。通过第一性原理计算研究了富Mn析出相的热力学性质，包括其形成能、弹性模量和电荷密度分布。基于实验结果，建立了双晶模型，并利用分子动力学（MD）模拟追踪了不同应变水平下晶界（GBs）处富Mn析出相周围的位错演化，从而具体揭示了这些析出相对应力集中的影响。综上所述，本研究通过精确表征和计算模拟揭示了富Mn析出相的物理性能及其与位错的相互作用，为设计兼具高强度和优异延展性的增材制造铝合金奠定了基本理论基础。

章节摘要

试样制备

用于SLM的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金粉末通过真空感应气流雾化（VIGA）工艺由母合金铸锭制备而成。粒径范围为10–65 μm的实验合金粉末的成分为Al-3.23Mg-1.59Mn-0.39Sc-0.29Zr（质量分数，除特别说明外），通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）测定，Si含量低于0.05%（杂质元素及铝合金中的常见元素）。圆柱形样品尺寸为13×13×70 mm³，

力学性能

我们采用单轴拉伸试验评估了SLM制备的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的力学性能。如图1a所示，在330 ℃下时效3 小时的合金屈服强度显著提升至427 MPa，断裂延伸率降至16%，而打印态的屈服强度为237 MPa，延伸率为24%。值得注意的是，当时效时间延长至6 小时时，延伸率进一步降低至14.5%。与典型的

结论

本研究采用多尺度实验表征与计算模拟相结合的综合方法。我们将SLM Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中的富Mn析出相鉴定为L1₂-Al₃(Mn, Si)析出相，揭示了这些析出相的固有物理特征及其导致塑性退化的微观机理。主要发现总结如下：

• (1)
  富Mn析出相是诱导塑性退化的重要因素

CRediT作者贡献声明

王超：撰写——审阅与编辑，形式分析。姬凡：撰写——审阅与编辑，形式分析。孙明艳：数据整理。郑新同：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，概念构思。王国威：项目管理，形式分析。汤嵩：撰写——审阅与编辑。崔录清：撰写——审阅与编辑，形式分析。张晓沛：软件，概念构思。周雨萌：项目管理，方法学。夏红燕：

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52471122）与辽宁省兴辽人才计划（项目编号：XLYC2403100）对L.Y.工作的资金支持。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。本工作为原创，尚未以任何形式发表，也未提交至任何其他出版物审稿。

夏红燕|周雨萌|张晓沛|孙明艳|姬凡|王超|崔录清|汤嵩|王国威|郑新同

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连