在增材制造的Al–Mg–Sc–Zr合金中观察到的Portevin–Le Chatelier效应：温度、应变率以及微观结构的影响

《Journal of Materials Science & Technology》：Portevin–Le Chatelier effect in additively manufactured Al–Mg–Sc–Zr alloy: Effects of temperature, strain rate, and microstructure

本文系统研究激光粉末床熔融（LPBF）制备Al-Mg-Sc-Zr合金的Portevin-Le Chatelier效应，揭示温度、应变率和双模态显微组织对其显著影响，发现应变依赖的应变类型转变及析出物对PLC的抑制作用。

　　
该研究聚焦于激光粉末床熔融（LPBF）制备的Al-Mg-Sc-Zr合金中Portevin-Le Chatelier（PLC）效应的机理与调控，揭示了增材制造工艺对材料动态应变时效行为的影响规律。研究团队通过系统性实验发现，LPBF工艺特有的双模晶粒结构（粗大柱状晶与超细等轴晶共存）显著改变了传统铸造合金的PLC行为特征。

在温度依赖性方面，实验表明723K附近存在PLC敏感温度窗口。当变形温度低于该阈值时，位错运动受抑制导致PLC效应弱化；而温度超过阈值后，溶质原子扩散速率与位错运动形成动态平衡，促使应变局部化加剧。这种温度敏感性源于Al?(Sc,Zr)析出相的再结晶行为：低温下粗大析出相阻碍位错运动，而中温区相变诱发晶界滑移，形成不均匀的位错堆积区。

应变率调控机制具有双重效应。低应变率（<1×10?3 s?1）时，溶质原子在位错环前形成柯垂尔气团，抑制位错塞积；而中高应变率（>5×10?3 s?1）导致动态回复速率下降，位错在晶界处形成多级塞积。值得注意的是，该合金在中等应变率区间（1-5×10?3 s?1）表现出显著的应变依赖性转变：初始阶段以B型周期性锯齿流变为主，随着塑性应变累积（>10%应变量），逐步演变为A型连续锯齿流变与混合型应变分化的协同作用。

微观结构调控方面，研究揭示了双模晶粒结构的特殊效应：粗大柱状晶（平均尺寸3.5μm）为位错提供了低能快速通道，而超细等轴晶（<1μm）则形成有效的位错纠缠网络。这种结构异质性导致应变场在晶界处呈现"应力桥接"现象——塑性变形首先在粗晶-细晶界面引发位错源增强，随后在细晶区形成应变梯度累积。热处理实验进一步表明，直接时效处理（723K, 2h）通过形成纳米级Al?(Sc,Zr)析出相（平均尺寸25nm）有效阻碍位错运动，使PLC应变幅值降低62%；而过时效处理（723K, 8h）导致晶界处析出相粗化（>200nm），晶界滑移激活能下降，反而增强PLC效应。

研究创新性地提出"晶界-析出相协同作用模型"：在双模结构中，粗晶界作为位错湮灭区与细晶区形成动态应变场分离机制。当晶界迁移速率超过位错湮灭速率时（对应中等温度与应变率条件），形成周期性位错环释放区，产生典型的B型应变锯齿；随着晶界弱化（过时效导致）或应变速率提升（位错湮灭失效），应变场向细晶区集中，触发连续型A型锯齿流变。

该研究为增材制造合金的工艺优化提供了新思路：通过控制热处理参数（如直接时效时长）调控析出相尺寸分布，可抑制PLC效应导致的表面缺陷；而采用梯度温度场加工（如层间温度补偿技术）可打破传统PLC敏感温度窗口，实现大变形量下的均匀流变。这些发现对航空发动机叶片等复杂构件的增材制造具有重要指导意义，特别是如何通过微观结构设计规避传统铸造合金中的塑性失稳问题。

研究特别指出，LPBF合金的PLC行为存在"双阈值效应"：在温度-应变率联合作用下，仅当T在570-780K区间且应变率介于2-8×10?3 s?1时才会出现显著应变时效效应。这种窗口特性源于激光熔池的周期性凝固过程形成的动态应变场，与静态铸造合金存在本质差异。微观表征显示，熔池边缘的粗大柱状晶与中心细晶区的并存，形成了独特的"晶界应力放大器"效应，使局部应变梯度达到传统合金的3-5倍。

关于锯齿流变类型的转变机制，研究团队通过原位TEM观察发现：在初始塑性变形阶段（应变<5%），粗晶界处的位错塞积区呈现B型应变带特征，此时位错运动以攀移为主；当应变超过8%时，细晶区开始出现Al?ScZr析出相的断裂桥接效应，导致位错运动转向交滑移主导的A型应变带。这种类型转变的现象在传统铸造合金中尚未见报道，揭示了增材制造合金特有的相变-塑性耦合机制。

研究还建立了热处理与力学性能的关联模型：直接时效处理（723K, t=2-8h）可使析出相密度从101? m?3提升至8×102? m?3，导致晶界迁移率下降40-60%。这种析出强化机制与PLC效应呈现负相关性——析出相密度每增加1×102? m?3，应变时效敏感指数降低约15%。但过时效处理（t>8h）导致晶界处析出相粗化（尺寸>200nm），反而使PLC效应恢复，这可能与晶界氧化膜的形成有关。

该成果为理解增材制造合金的力学行为提供了新的理论框架。研究指出，传统合金中PLC效应多由均匀析出相主导，而LPBF合金的双模结构使得晶界成为影响应变时效的关键因素。建议后续研究可结合机器学习算法，建立温度-应变率-工艺参数（激光功率、扫描速度）与PLC敏感性的高维预测模型，这对实现增材制造工艺参数的智能优化具有重要价值。

研究最后强调，在航空铝合金等关键领域应用中，需特别注意：（1）避免在温度窗口内进行大变形量加工；（2）通过热处理调控析出相尺寸分布，将晶界应变梯度控制在安全阈值以下；（3）开发多层交替扫描工艺，利用温度梯度抑制晶界处位错塞积。这些发现为3D打印合金的工程化应用提供了重要的理论支撑和工艺指导。