激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Zr合金的断裂韧性与裂纹扩展阻力：析出相与双峰晶粒结构的调控机制

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备的Al-Mg-Sc-Zr合金，系统探究了热处理诱导的微观结构演变对强度、断裂韧性(KJIC)和裂纹扩展阻力(R曲线)的影响。通过对比三种状态(铸态、峰时效和过时效)及两个正交方向的性能，发现过时效样品因塑性区尺寸扩大和裂纹尖端塑性增强而表现出最高KJIC值(47.0 MPa√m)，但伴随显著各向异性。该研究为LPBF铝合金的强韧化设计提供了重要理论依据。

　　

在航空航天和高端装备制造领域，激光粉末床熔融(LPBF)技术因其能制备复杂几何形状的轻量化部件而备受青睐。其中，Al-Mg-Sc-Zr合金(商品名Scalmalloy)因其优异的可打印性和力学性能成为研究热点。然而，这种合金在LPBF过程中形成的独特双峰晶粒结构——由超细等轴晶(UEGs)和粗大柱状晶(CCGs)组成——以及后续热处理产生的Al₃(Sc,Zr)析出相，如何协同影响其断裂韧性仍不明确。更关键的是，现有研究多集中于拉伸性能，而断裂韧性这一决定结构件损伤容限的关键参数却鲜有系统研究。

为解答这些问题，南京理工大学机械工程学院的Zhiguang Zhu、Yuntian Ning等联合新加坡学者Upadrasta Ramamurty，在《Scripta Materialia》发表了突破性研究。团队采用多尺度表征手段，首次揭示了LPBF Al-Mg-Sc-Zr合金在三种热处理状态(铸态AB、峰时效PA、过时效OA)下裂纹萌生与扩展的微观机制，并建立了塑性区尺寸与各向异性的定量关联。

研究主要采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向，透射电镜(TEM)表征析出相演变，通过紧凑拉伸(C(T))试样测定J积分和R曲线行为，并结合激光共聚焦显微镜定量分析断口形貌。特别设计了X-Z(裂纹平行建造方向)和Z-X(裂纹垂直建造方向)两种取向试样以评估各向异性。

微观结构特征

铸态样品呈现典型的双峰结构：CCGs平均尺寸3.62 μm，UEGs仅0.95 μm，并含有初生L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米颗粒。峰时效后析出1.36 nm的次生Al₃(Sc,Zr)相，而过时效样品中晶粒和析出相分别粗化至7.08 μm和53.13 nm，且Zr偏聚更显著。

力学性能与断裂行为

铸态样品展现各向同性裂纹萌生韧性(K_JIC≈24 MPa√m)，但裂纹扩展呈现各向异性——优先沿UEGs区域传播，因其较高强度但有限塑性。峰时效样品因密集纳米析出相使强度提升至538 MPa，但应变硬化指数(n≈0.055)骤降导致不稳定裂纹扩展。最具突破性的发现来自过时效样品：尽管强度降至192 MPa，但K_JIC飙升至47.0 MPa√m(X-Z向)，创下LPBF铝合金报道值新高。

机制解析

通过三维断口重建和原位EBSD分析，发现过时效样品的超高韧性源于：1) 塑性区尺寸(r_p)扩大至6.6-9.6 mm，远超铸态(0.8 mm)和峰时效(0.2 mm)；2) 熔池边界诱导的裂纹偏转效应在X-Z向更显著；3) CCGs与UEGs的硬度差异促进能量耗散。这种"牺牲强度换韧性"的现象，颠覆了传统析出强化合金的强韧化认知。

该研究首次建立了LPBF铝合金中"微观结构-塑性区尺寸-断裂各向异性"的定量关系，为航空航天关键承力部件的定向增材制造提供了理论指导。特别是过时效处理展现的强韧化潜力，为开发新型高损伤容限铝合金开辟了新思路。未来通过优化热处理制度与打印参数的协同调控，有望实现强度与韧性的最佳平衡。