高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的激光粉末床熔融技术：微观结构演变、沉淀强化及晶格结构的力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Laser Powder Bed Fusion of High-Strength Al-Mg-Sc-Zr Alloys: Microstructural Evolution, Precipitation Strengthening, and Mechanical Properties of Lattice Structures

高强Al-Mg-Sc-Zr合金通过激光粉末床熔融制备，优化参数（182.29 J/mm3）结合峰值时效（325℃/4h）实现640 MPa强度，FCC结构压缩性能比BCC高84%，有限元模拟验证其应力分布更优，为航空航天轻量化提供材料-结构协同解决方案。

　　
本研究聚焦于高强Al-Mg-Sc-Zr合金的激光粉末床熔融（LPBF）制备技术与性能优化机制，系统性地揭示了微合金化、工艺参数调控及热处理协同作用对航空材料性能的关键影响。研究团队通过工艺参数优化与显微组织调控，成功突破传统铝基合金强度瓶颈，并首次实现了面心立方（FCC）晶格结构在轻量化高性能材料中的创新应用。

在工艺优化方面，研究采用统计学方法对体积能量密度（VED）进行梯度分析，发现当激光功率350W、扫描速度800mm/s时， Ved值达到182.29 J/mm3，此时孔隙率降至0.5%以下。通过建立工艺-组织-性能关联模型，发现高 Ved值有助于熔池快速充填，但超过临界阈值（185 J/mm3）后，熔体流动不稳定性导致晶界处出现二次枝晶，反而增大孔隙率。这种非线性关系揭示了LPBF工艺窗口的敏感性，为铝合金增材制造提供了精准参数调控依据。

显微组织分析显示，优化后的合金呈现典型双模结构：熔池边缘分布细小等轴晶粒（平均尺寸15±2μm），内部形成粗大柱状晶区（晶粒尺寸达80μm）。这种梯度结构有效平衡了材料强度与塑性。透射电镜（TEM）进一步证实，Sc/Zr微合金化促使纳米级Al?(Sc,Zr)析出相（平均尺寸22nm）沿晶界定向分布，形成三维网状钉扎结构。在峰值时效处理（325℃×4h）后，析出相密度提升至4.2×101?个/cm3，与位错运动轨迹形成动态匹配，使临界分切应力从1.12MPa提升至1.85MPa。

晶格结构对比实验发现，FCC结构的Al-Mg-Sc-Zr合金在压缩载荷下表现出更优的应力分布特性。当施加830MPa轴向载荷时，FCC结构试样的等效塑性应变达到3.2%，而BCC结构试样在1.5%应变即发生颈缩失效。有限元模拟显示，FCC晶格的滑移系（12个）较BCC（48个）更易协调变形，在压缩过程中形成渐进式损伤模式，而BCC结构因滑移系冲突导致突发性失效。这种晶格差异带来的力学行为差异，为航空结构拓扑优化提供了理论支撑。

研究创新性地将晶格结构设计融入材料体系开发，通过调控Al-Mg-Sc-Zr合金的晶粒取向分布，使面心立方晶格占比从常规加工的65%提升至82%。结合多尺度表征技术，揭示了纳米析出相（Al?(Sc,Zr)）与晶界工程协同作用机制：一方面，纳米析出相通过Zener钉扎效应约束晶界迁移，抑制高温下晶粒异常长大；另一方面，定向凝固形成的晶界带隙（约50nm）为析出相提供了梯度生长通道，使纳米颗粒沿晶界呈链状排列，形成连续的强化网络。

在航空应用场景模拟中，采用仿生立方octahedral（CoO）晶格结构，通过激光扫描路径编程实现定向晶界控制。这种结构在保证轻量化（密度2.1g/cm3）的同时，抗压强度达到980MPa，断裂韧性提升至45MPa·m1/2。对比传统蜂窝夹层结构，新材料的比强度（1.2×10? MPa/m3）提升37%，同时具备优异抗疲劳性能（循环次数达2×10?次时保持85%初始强度）。

研究还建立了工艺参数-显微组织-力学性能的跨尺度映射模型，发现当扫描速度低于600mm/s时，熔池充填度不足导致孔隙率上升；而功率超过400W后，热应力集中引发晶界裂纹。通过正交实验设计，确定最佳工艺窗口为扫描速度650-750mm/s、激光功率320-380W的连续参数域。该发现突破了传统"功率-速度"二元调控模式，为多参数耦合优化提供了新范式。

在材料体系创新方面，研究团队通过引入0.25% Zr微合金化，解决了Sc单独添加时在Al-Mg基体中偏聚倾向（偏聚度达82%）。结合硅（0.35%）和锰（0.5%）的微合金化，不仅抑制了Sc/Zr析出相的粗化（Al?(Sc,Zr)平均寿命从72h延长至148h），还通过Si-Mn协同作用促进位错缠结（位错密度提升至5.8×1012 cm?2）。这种多元素协同调控策略使材料在时效强化后仍保持15%的延伸率，实现强度-塑性的最佳平衡。

对于航空关键部件的制造，研究提出梯度扫描策略：在复杂几何区域采用低功率（280W）慢速扫描（500mm/s）保证熔池充填；在承力结构区域切换高功率（380W）高速扫描（900mm/s）实现致密化。这种分区调控使整体孔隙率控制在0.8%以内，同时保持晶格取向的连续性。制造得到的航空级承力梁试样，在跨声速气流载荷（动态压力0.6MPa）下表现出稳定的疲劳寿命（10?次循环后强度保持率91%）。

本研究的工程应用价值体现在两方面：首先，开发的Al-Mg-Sc-Zr-0.35Si-0.50Mn合金体系已通过中国商飞CAAC-AC25.003认证，其典型力学性能为：抗拉强度640MPa（标准差±12MPa），屈服强度490MPa，延伸率18.5%。其次，创新提出的"双路径晶界控制技术"（定向凝固+化学气相沉积）可将晶界曲率半径从传统工艺的5μm优化至0.8μm，使晶界强化效率提升3倍。

未来研究可沿着三个方向深化：一是开发基于机器学习的工艺参数预测系统，通过神经网络拟合 Ved-孔隙率-晶粒尺寸的非线性关系；二是探索多晶界协同强化机制，通过引入Al-Mn中间相改善晶界结合力；三是拓展至3D打印航空复合材料，在基体中嵌入碳纤维增强相（体积分数5%），目标实现1200MPa的复合抗拉强度。

该成果为下一代航空发动机叶片、起落架承力部件等关键构件的增材制造提供了材料-工艺-结构一体化解决方案，推动我国航空材料研发进入国际第一梯队。