中南大學《IJP》：實現650MPa級LPBF增材制造鋁合金的強塑協同

背景導讀

研究背景：

高強鋁合金的 LPBF 成形面向輕量化結構件具有明確需求，但在獲得高屈服強度的同時維持可靠的變形能力，通常受到熱歷史、冶金缺陷與殘余應力水平，以及多尺度相/缺陷結構演化的共同制約。在此背景下，L12納米析出相與 9R 等層錯相關亞穩結構對熱過程與界面環境高度敏感。二者能否形成可控共存的微結構單元，以及這種單元如何映射到宏觀力學響應，需要給出實驗觀察與能量學解釋之間的對應關系與相互印證。

科學問題：

中南大學研究團隊圍繞“工藝調控-組織起源-界面相互作用-力學響應”的關聯進行展開：在總能量輸入可比的前提下，通過層間低功率重熔改變熱歷史與熔池行為，以促進9R 結構的形成與保留；同時結合第一性原理計算闡明Mg/Si 偏聚對GSFE 的調控及其對層錯相關結構形成傾向的影響；進一步通過顯微表征與原子尺度模型說明L12-9R鄰接強耦合的相互約束機制，并在強度分解與塑性變形的基礎上討論9R 等結構對位錯運動的額外強化貢獻。

相關研究成果以“Potent interplay between L12 nanoprecipitates and 9R phase enabling strength-ductility synergy in a 650 MPa-class additively manufactured aluminum alloy”為題發表在International Journal of Plasticity上，論文第一作者為中南大學余承哲博士生，通訊作者為：李瑞迪教授與甘科夫副教授。

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104595

圖2 試樣制備流程、力學性能測試及微觀結構表征：（a）激光粉末床熔融工藝；（b）傳統簡單掃描策略與新型重熔掃描策略細節示意圖；（c）拉伸試驗試樣取樣方法及顯微觀察方向。

核心結果

l超高強塑性組合

R-AP 達到451 MPa屈服強度、21%延伸率；R-HT 達到>660 MPa屈服強度、近10 %延伸率。同時，文中給出了與傳統簡單掃描后時效狀態的對比（S-HT 延伸率約 3.7%），用于表征工藝路線差異帶來的力學性能變化。

圖5 室溫拉伸力學性能。（a）增材制造鋁合金試樣在打印態和時效態下的工程應力-應變曲線。(b) 與先前報道的增材制造鋁合金對比，本研究的R-HT試樣展現出卓越的力學性能，具有超高屈服強度（>650 MPa）和優異的斷裂伸長率（接近10%）。(c) S-HT試樣與(d) R-HT試樣的斷裂形態。

l GSFE的能量學支撐

結論指出 Si 與 Mg 的引入顯著降低SFE，從而在熱力學上促進層錯形成并支撐了再實驗中觀察到的層錯與9R 結構。

圖8 基于第一性原理計算獲得的GSFE。(a) 純Al、Al-6Mg及Al-6Mg-6Si完美晶體的原子模型。(b) 部分原子沿[11-2]方向遷移形成的SF/nano-twin模型。(c-d)純Al、Al-6Mg及Al-6Mg-6Si的GSFE曲線與柱狀圖。(e) 高密度堆垛缺陷相-9R微觀結構形成機制的原子模型。

l重熔原位生成納米級L12

盡管含 Sc 鋁合金中 L12析出通常被認為需要較長時間的高溫時效過程，但本文在重熔策略對應的打印態（R-AP）中，已在基體內觀察到大量納米級 L12-Al3Sc 析出體。這一“打印態即析出”的現象與圖1所揭示的熔凝過程特征一致：重熔過程通過降低峰值熱輸入并縮短高溫暴露時間，使得 L12的形核更易發生且其粗化受到抑制，從而在打印態形成更高密度且更細小的 L12納米析出相。

圖1 激光增材制造過程中熔池流體動力學及各相凝固熱力學計算的CFD模擬。

l熱處理9R存續

在此基礎上，L12–9R 的界面鄰接關系并非只在后續熱處理后才建立。文本討論指出，R-AP中既存在較溫和熱歷史下形成/保留的 9R 結構，也存在原位形成的納米 L12析出體；這些預先存在的 L12能夠通過增加 L12/9R 界面面積與界面釘扎效應，抑制 9R 中部分位錯反應所導致的層錯湮滅，從而使 9R 的穩定化作用在打印態就開始發揮，并為后續時效階段形成更廣泛的L12–9R 鄰接耦合奠定組織基礎。

熱處理后 9R 相的存續與其在顯微尺度上與納米尺度 L12析出相的空間鄰接密切相關。對比結果顯示：S-HT中可以觀察到L12粗化相，而此前在S-AP 中出現的9R 相在熱處理后消失；相反，R-HT中可同時識別高密度納米級L12析出相與9R 相，且二者在多個區域呈現緊密的空間鄰近關系，指出納米級L12輔助9R 相熱穩定性的重要作用。

在此基礎上，通過第一性原理計算進一步解釋這種穩定性來源：9R結構在L12相關化學環境（L12-Al3Sc界面層）上的形成能顯著低于在α-Al 基體上的形成能（約-0.14 eV/atom vs +0.02 eV/atom），表明9R 在L12鄰域從熱力學角度更易形成；同時，9R的湮滅可以通過層錯反應使堆垛序列回復為穩定FCC，而當9R 與L12鄰接時，層錯湮滅在能量上變得不利，從而提高9R 的持久性。

圖9 L12析出物在熱處理增材制造鋁樣品中穩定9R相的機制。（a1-a4）S-HT樣品中大尺寸L12相。（b1-b4）R-HT樣品中納米尺度L12析出物與9R相的空間關系。(c) 9R相中層錯湮滅的原子模型。(d) 9R相中包含層錯湮滅的結構形成能與驅動能的第一性原理計算結果。

lL12-9R鄰接耦合與相互約束

時效過程中 L12在 9R 鄰域析出形成“pinning-like”穩定化，同時 9R 相抑制 L12有序結構的長大與并合，體現為“L12抑制 9R 湮滅、9R 抑制 L12粗化連并”的相互作用。

圖10 L12相GSEF值的理論計算及其與層錯擴展的相互作用。(a) L12相的GSFE曲線。(b) L12相在(1-10)原子平面上的差分電荷密度圖。(c) 包含α-Al/L12界面的層錯擴展模型示意圖。(d) 相對于完美晶體結構的相對能變化曲線，對應從單SF到9R相的結構演變過程。(e1-e4)納米級L12析出相阻礙9R相擴展。

結論闡述

本研究采用逐層激光重熔的 LPBF 成形策略對 Al-Mg-Sc-Zr 合金的組織與力學性能進行協同調控，并結合掃描路徑設計與第一性原理計算系統闡明其變形與組織演化規律。結果表明，重熔過程通過晶粒細化、缺陷均勻化及熔池動力學優化，實現了優異的強度-塑性組合（打印態：451 MPa 與 21%；峰時效態：664 MPa 與9.5%），為增材制造鋁合金的強塑協同提供了可行的工藝路徑。能量學分析進一步指出，Si與Mg 的引入可顯著降低層錯能，從熱力學上促進層錯與9R 結構的形成，為重熔樣品中預存9R的實驗觀察提供理論支撐。尤其在熱處理后樣品中，廣泛存在的原味生成納米級L12析出相-9R相鄰接耦合結構區別于傳統僅依賴彌散L12的強化模式：該納米尺度互嵌結構在保留L12相干強化的同時，通過鄰近9R 提供局部塑性協調，并在計算中表現為L12對9R 堆垛序列的穩定化與對層錯湮滅的抑制，從而緩解應力集中并促進位錯運動，實現強度與塑性的同步提升。此外，在重熔打印態拉伸20% 后觀察到變形孿晶，表明重熔誘導的亞結構細化有助于應變去局域化，并在9R的作用下激活額外變形機制。值得指出的是，該重熔策略在等效總能量輸入下采用更高掃描速度完成重熔道次，不顯著增加激光暴露時間且不改變鋪粉節拍，因此在提升力學性能的同時可維持成形效率，體現出面向工程應用的實踐潛力。

數據展示

圖3 S-AP與S-HT試樣中晶粒結構與局部元素分布的多尺度表征

圖4 激光重熔工藝策略在多尺度下調控增材制造鋁合金的顯微組織特征

圖11 拉伸載荷作用下，打印態與時效態中變形亞結構的演化過程

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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