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近日，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授朱强团队与香港城市大学吕坚院士团队、北京科技大学毛新平院士团队、澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队合作，在增材制造（3D打印）铝合金领域取得新进展，相关成果以“Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects”为题发表在学术期刊 Materials Today 上。
该研究表明通过激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造技术，可促使铝合金同时具备细化的多模态晶粒异质结构与纳米尺度的面缺陷（如层错，孪晶界，9R相），以此优化材料力学性能，使其屈服强度达到迄今为止几乎所有L-PBF生产的铝合金中最高水平（~656 MPa），并同时具有可观的延伸率（~7.2%）。该类高强韧铝合金的成功研发为用于先进结构应用的高性能铝合金部件提供了新的范式，有利于轻量化设计和减少碳足迹。
金属增材制造技术作为一种先进的材料成形工艺，为复杂结构零部件设计与成型及高性能合金的设计与开发提供了新的机遇。在双碳约束与加快发展新质生产力战略的背景下，市场对产品轻质高强化的需求与标准不断提高。因此，具有优异力学性能的轻质铝合金复杂结构零部件受到了航空航天、汽车工业和国防工业等领域的广泛关注。目前，大多数铝合金的金属增材制造局限于近共晶的铝硅成分（如AlSi10Mg），虽然这些成分容易加工，但力学性能较差。而具有最佳性能的沉淀硬化铝合金（如2xxx或7xxx系列）由于凝固温度区间大，在打印过程的极端凝固条件下极易发生热裂现象，从而难以制备。朱强团队与其他团队之前的研究均表明，通过原位形成或外部引入与铝基体晶格匹配的异质形核颗粒，和/或含有高生长限制因子（即高Q值）的有效溶质，可以在打印过程中引发显著的晶粒细化与消除裂纹。然而，这些铝合金在强度和延展性之间难以实现令人满意的平衡，对打印铝合金的更广泛的商业部署与工业应用带来了挑战。
近期，材料学界在开发高性能金属材料取得的突破揭示了引入纳米级强化面缺陷（如孪晶边界，层错，9R相）以提高力学性能的变革潜力。以纳米孪晶为例，其作为一种特殊的微观组织可为金属材料带来诸如高强度、高稳定性等优异的性能，一直是行业内的研究热点。但迄今为止，相关研究大多局限于具有中、低层错能的金属材料（如铜和银等），在具有高层错能的金属(如铝)中则很难形成纳米孪晶组织。
对于工业上广泛使用的铝及铝合金而言，如果能形成这些纳米级的面缺陷进行强化，则有望大幅度提高其强度，从而扩宽其应用范围。通常而言，将铝与低层错能金属（如铁，银，镁等）复合，可以在超快速凝固条件下（如物理气相沉积）形成具有纳米孪晶的铝基薄膜。这种制备方法工艺复杂、条件严苛，同时需要利用低层错能金属作为孪晶源以诱发孪晶生长且仅能制备薄膜材料。对于块状材料而言，目前主要通过严重塑性变形来引入这些纳米尺度的面缺陷进行强化，其实际应用则受到限制。因此，如何能在更加简单的条件下直接制备出纳米面缺陷强化的块状铝材料仍是国际性难题，相关研究具有重要的理论意义与实用价值。
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图1 打印态铝合金中具有三模态晶粒分布的分级异质结构图
针对上述问题，朱强与其合作者提出了一种通过增材制造技术制备具有超细异质结构与纳米尺度面缺陷强化的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金材料，其兼具超高强度与高塑性。研究表明打印态铝合金展示出三模态晶粒分布的分层异质结构：超细等轴晶，细等轴晶与细小柱状晶，主要是由于Al3(Sc,Zr)颗粒的不均匀析出而形成。进一步的微观组织表征还发现纳米尺度的面缺陷，包括高密度的层错、孪晶界与9R相。打印态的合金展示出优异的力学性能，包括屈服强度~461 MPa，延伸率~21％。为进一步增幅沉淀强化效果，课题组采用直接时效热处理（300摄氏度下4小时）促进大量纳米强化相的析出。同时，打印态组织中的纳米级面缺陷和三模态晶粒异质结构在热处理后也得以保留，这成就了超高强度与优异塑性的结合。热处理态合金~656MPa的屈服强度超过了之前报道的几乎所有增材制造高强铝合金与锻造铝合金。
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图2 打印态铝合金中的纳米级面缺陷图
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图3 L-PBF制备铝合金在打印态和热处理后的拉伸性能图
南方科技大学-香港城市大学联合培养2021级博士生李干为论文第一作者，南方科技大学朱强讲席教授、香港城市大学吕坚院士、昆士兰大学张明星教授和北京科技大学黄禹赫讲师（原南方科技大学博士后）为论文共同通讯作者。此外，南科大机械系副教授逯文君、博士生候军华、硕士生贺喜与材料系研究教授黎兴刚也为论文的发表作出重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、深圳市高机能材料增材制造重点实验室、深圳市基础研究项目等资助。
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