中南大学 l 激光粉末床熔融Al-5Mg-2Si-3Zn合金双峰时效硬化机制

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根据3D科学谷的技术洞察，双峰值时效强化是指在时效过程中，合金的硬度或强度随时间的增加出现两个峰值的现象。这种强化机制在LPBF成形共晶合金中尤为重要，因为它有助于解决这类合金在增材制造过程中力学性能不佳的问题。Zn作为微合金化元素添加到铝合金中，可以显著影响合金的时效硬化行为和析出相组织。

中南大学近期的研究发现，通过Zn元素微合金化策略和精确控制时效工艺，可以实现双峰值时效强化，从而显著提高LPBF成形共晶合金的力学性能。这种强化机制不仅提高了合金的强度和硬度，还改善了塑性，解决了LPBF成形共晶合金力学性能不佳的问题。

借助材料科学和技术的分享，本期，3D科学谷与谷友共同领略中南大学的研究团队如何有效地提高了Al-Mg-Si-Zn合金的力学性能，特别是在增材制造过程中，理解这种策略对于开发具有优异性能的铝合金具有的重要意义。

3D科学谷洞察

通过Zn元素微合金化策略和精确控制时效工艺，可以实现双峰值时效强化，双峰值时效强化通过优化微观结构和强化机制不仅提高了LPBF成形合金的强度，也显著提高了其塑性，使合金在高温、低温以及高应力条件下都能保持优异的性能。”

第一作者：杨飞鹏

通讯作者：杨海林

通讯单位：中南大学粉末冶金研究院

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.12.040

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全文速览

激光粉末床熔融技术制备Al-5Mg-2Si-3Zn合金表现出良好的激光成形性，经120-180 ℃时效后，合金表现出双时效峰值硬化行为，这是由于β''和η′的形成能差异所造成的异步析出。150℃峰时效试样的屈服强度分别为392 MPa 和434 MPa，延伸率分别为8.2%和6.4%。合金主要强化机制为胞界强化、析出强化、细晶强化、固溶强化和位错强化。

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研究背景

作为广泛运用的商用铸造铝合金，Al-5Mg-2Si（Magsimal 合金）表现出优异的可铸造性和力学性能。合金主要由微米尺度的初生α-Al 和共晶α-Al/Mg2Si 相组成。在Al-Mg2Si伪二元相图中，其成分可表示为亚共晶Al-5.5Mg2Si 合金。相比于传统的成形技术（冷速10-102K/s），LPBF 技术具有超快冷速（105-106 K/s）和高的温度梯度（G > 105 ℃/m），其非平衡凝固的特点能够促进超细微结构和过饱和固溶体的形成。相比于共晶合金，传统η'强化型Al-Zn-Mg-Cu 合金具有大的凝固区间和高的热裂纹敏感性，难以通过LPBF技术直接成形。通过在可成形Al-Mg2Si共晶合金引入Zn合金元素，有望构造双相强化型共晶Al-Mg2Si合金，这为设计/开发适用于增材制造用新型高强铝合金提供一种新思路。

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本文亮点

(1)本研究提出一种通过Zn原位合金化促进Al-5Mg-2Si共晶合金析出强化效果的方法，

(2)成功构造β''和η′双纳米相从而实现双峰值时效强化，解决了LPBF成形共晶合金力学性能不佳和β''和η′强化型铝合金难成形的问题。

(3)成功制备由微尺度α-Al晶粒、亚微米胞状组织、复合纳米析出相和过饱和固溶体组成的多尺度微结构协同增强的可成形共晶铝合金。

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图文解析

在120-180 ℃的时效过程中，试样表现出明显的双峰硬化行为。在150 ℃下观察到两个最大的峰值硬度，即时效6 h达到第一个峰值硬度（169 ± 1.8 HV）以及时效15 h达到第二个峰值硬度（176 ± 2.3 HV）。

图1 打印态Al-5Mg-2Si-3Zn合金在120 ℃，150 ℃ 和180 ℃时的时效硬化曲线

图2（a）为Al-5.5Mg2Si-3Zn合金在打印态、时效处理150 ℃/6 h和150 ℃/15 h条件下的应力-应变曲线。由图可知，打印态样品的极限抗拉强度为464 ± 15 MPa，屈服强度为349 ± 10 MPa，断后延伸率为5.9 ± 1.1 %。经150 ℃/6 h时效后，极限抗拉强度和屈服强度分别显著提高到512 ± 6 MPa和392 ± 9 MPa，断后延伸率提升至8.2 ± 0.8 %。随着时效时间延长至15 h，抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为524 ± 8 MPa、434 ± 12 MPa和6.4 ± 0.9 %。打印态及时效样品与其他打印态的Al-Si合金、Zr改性的6xxx合金、Al-Mg-Sc-Zr合金和Si/Zr/Ti/Nb改性的7xxx合金的拉伸性能进行了比较。打印态及其时效样品均显示出比Al-Si合金更加优异的力学性能。同时，Al-5Mg-2Si-3Zn合金也表现与Zr改性的6xxx合金、Al-Mg-Sc-Zr合金和Si/Zr/Ti/Nb改性的7075合金相当或更高的力学性能。

图2 打印态试样的力学性能：（a）打印态试样时效前后的应力-应变曲线，（b）打印态和时效态试样与其余打印铝合金的拉伸性能对比

图3打印态微观组织：（a）BF-TEM图像显示了时效处理前LPBFed样品中的典型胞状结构，（b）[011]Al区轴下Mg2Si相的SAED图案，（c）纳米胞状组织的STEM-HAADF图像，（d）元素能谱显示Al、Mg、Si、Fe、Mn和Zn分布，（e）GP区和α-Al/Mg2Si共晶相的HR-TEM图像，（f）（e）中标记的GP区相应FFT图案，（g）过饱和α-Al基体内原子团簇的HR-TEM图像。

图4 第一峰时效试样中的胞状组织透射图和能谱图:（a-b）熔池中心区域，（c-d）熔池边界区域

图5 第一个峰值时效中的板条状析出相的透射图和能谱图:（a）胞内β" 析出相形貌，（b）析出相元素分布，（c）α-Al基体与β"相的高分辨透射图，（d）α-Al和β"相的快速傅里叶变换图，（e）β"相的平均尺寸分布图

图6 第二峰值时效状态下元素分布和析出相：熔池中心（a-b）和熔池边界（c-d）区域中胞状组织和Al、Mg、Si、Fe、Mn和Zn元素分布，（e）η相和（f）η′相的HR-TEM图像，第二峰值时效状态下（g）η相和（h）η′相的相应FFT模式。

图7 熔池中心胞内析出相的透射电镜图和快速傅里叶变换花样：（a）η′和β′′析出相，（b）GP区和β析出相，（c）η/η′析出相尺寸分布，（d）沿[001]Al晶带轴观察的β''相，（e）沿[011]Al晶带轴观察的β相，（f）沿[011]Al晶带轴观察的GP区和η′相，（g-i）标记区域中相应的快速傅里叶变换花样

图8为时效前后微观结构演变的示意图，在打印态试样中，非平衡凝固有利于Zn元素在α-Al基体中过饱和的形成。根据吉布斯吸附等温线，外来元素倾向于在低界面能处偏析。如图8（a）所示，LPBF过程中产生的超高冷速使Zn原子的扩散不充分，溶质偏析产生了从胞状组织内部到边界的成分梯度。如图8（b）所示，在热驱动力的作用下，第一峰时效试样在胞界处偏析的Zn元素向胞状组织内部均匀扩散。同时，在胞状组织内部观察到高密度的板条状β"相。如图8（c）所示，在第二个峰值时效样品中，除了转变为稳态的β相，胞内还同时存在GP区、亚稳态η′析出相和β''析出相。

图8 打印态试样时效前后微观组织演变示意图：（a）打印态，（b）第一峰值时效态，（c）第二峰值时效态

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总结与展望

本文主要针对激光增材制造传统高强铝合金易开裂、难成形的共性问题，开发一种适用于LPBF成形的高致密度共晶强化型Al-Mg-Si基合金（Al-Mg2Si合金），通过Zn元素微合金化策略促进双纳米析出相沉淀，成功制备多尺度微结构增强的Al-5Mg-2Si-3Zn合金。这项工作拓宽激光增材制造专用铝合金种类，并为新型可打印高强铝合金的成分和强韧化设计提供理论指导。

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作者介绍

杨海林，中南大学粉末冶金国家重点实验室教授，博士生导师。曾任布鲁内尔大学（Brunel University London）Research fellow（研究员）。主持国家自然科学基金2项，国家重点研发计划子课题1项，湖南省自然科学基金1项，企业横向课题6项；作为重要骨干参与广东省重点研发计划，湖南省创新引领，国家自然科学基金，国家支撑计划，英国TSB项目（Code: RRR1025R32031）等项目6项。发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯作者90余篇，主要包括Acta Materialia, Composites Part B, Virtual and Physical Prototyping, Scripta Materilia, Journal of Materials Science and Technology等；授权专利10余件。担任国际著名学术期刊Composites Part B, Virtual and Physical Prototyping, Scripta Materilia, Corrosion Science,等期刊的长期审稿人，同时兼任中国有色金属学会会员、中国生物材料学会会员；获2018年度第十五届湖南医学科技三等奖（排3）；2020年江苏省科技镇长团省级优秀团员等荣誉称号；曾任2021年全国粉末冶金大会难熔金属与硬质合金分会主席；2020年第五届全国特种粉末冶金及复合材料会议3D打印金属材料分会主席；扬州市新型电力装备产业产才对接专家成员。

杨飞鹏，中南大学博士研究生，主要从事激光增材制造高强铝合金的研究，以第一作者在Journal of Materials Science and Technology，Materials Science and Engineering: A，Journal of Materials Research and Technology等期刊发表SCI论文6篇，授权国家发明专利3项。

引用

Feipeng Yang, Jianying Wang, Tao Wen, Shilong Huang, Lei Zhang, Jinhua Wu, Jianming Zhen, Ling Shan, Xixi Dong, Hailin Yang, Double-peak age strengthening of an Al-Mg-Si-Zn alloy processed by laser powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 192 (2024) 82-94.

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