导读：本文采用选择性激光熔化(SLM)法制备了AlNi6TiZr合金。通过分析不同过程参数下打印样品的打印质量和力学性能，得到了AlNi6TiZr的激光熔化法下的成形窗口。Z 270 W-1100 mm/s，激光能量密度为82 J/mm3下的打印样品相对密度达到99.7%，展现其具有优异的力学性能(屈服强度(YS): 421.7 MPa；极限抗拉强度(UTS): 480.4 MPa)。经过325℃，12 小时的时效处理后，样品的屈服强度和极限抗拉强度分别提高到494 MPa和550.7 MPa。Ni、Ti、Zr组分的加入促进了铝合金中多相析出相的生成，提高了多相的协同强化效果。Al3 Ni相在晶界处形成的硬壳组织(HSS)显著增强了晶界强度。晶界处析出的Al3(Ti, Zr)相阻碍了晶粒的生长和位错的移动。Al3Ni和Al3(Ti, Zr)相具有良好的热稳定性，在高温下仍能保持优异的增强效果。AlNi6TiZr合金在中高温环境中具有广阔的应用前景。

增材制造(AM)作为一门新兴技术，因其具有部件结构设计灵活、加工精度高、材料利用率高等优点而受到广泛关注。与其他传统加工方法相比，增材制造技术可以制造出结构更复杂、性能更高的零件。其中，选择性激光熔化(SLM)技术是发展前景最好的增材制造技术之一，它利用高功率激光束，对金属粉末进行局部熔化并逐层堆叠，从而制造出具有高精度尺寸、优异力学性能的零件。由于其独特的冶金性能，选择性激光熔化（SLM）零件与常规加工方法制备的零件存在明显的显微组织方面和力学性能方面的差异。建立材料、微观组织和力学性能之间的联系是选择性激光熔化零件推广应用的关键。

铝合金具有密度低、力学性能优良、耐腐蚀等特点，因此在航空航天和汽车领域得到了广泛的应用。然而，由于红外激光的流动性差、反射率高，在选择性激光熔化法打印过程中会产生气孔和热裂缺陷。为了提高选择性激光熔化法下铝合金的质量，研究人员开始对铝合金改善的构成结构。目前，大多数选择性激光熔化法下铝合金仅限于共晶或近共晶铝硅合金，如AlSi7Mg和AlSi12。铝硅合金具有良好的流动性和低的热裂倾向，有利于制造致密的零件。但铝硅合金高温组织不稳定(富硅相断口)，其高温性能有待进一步提高。为了使打印出来的铝合金既具有较高的抗拉强度又具有良好的耐热性，开发新型耐热铝合金已成为研究热点。    

为了满足选择性激光熔化快速凝固和耐热铝合金的要求，本研究设计了一种新的AlNi6TiZr合金成分，并成功地利用选择性激光熔化法制备了具有优异力学性能和热稳定性的合金样品。本文详细讨论了该合金多相协同强化的机理，提出AlNi6TiZr合金有望为高强度铝合金的设计提供有效参考，而且能够进一步促进实现该合金的推广应用。

燕山大学的相关研究以“Microstructure, mechanical properties and multiphase synergistic strengthening mechanisms of a novel laser additive manufactured AlNi6TiZr alloy”为题发表在Journal of Material Science & Technology上。    

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022300782X

图1.AlNi6TiZr合金粉末:(a) SEM形貌;(b)粒径分布。

图2.不同SLM工艺参数下AlNi6TiZr合金的SEM孔隙率分布。    

图3.打印工艺参数与试样相对密度的关系。

图4.AlNi6TiZr合金的显微组织:(a)试样侧面;(b)试件的中表面;(c) Al， (d) Ni， (e) Ti， (f) Zr元素分布特征;(g) AT试样(325℃-12 h)的显微组织。

图5. AB试样AlNi6TiZr合金的晶粒形貌、晶界分布和晶粒尺寸分布:(a-c);(d-f)为时效处理的标本。    

图6.AB合金的透射电子显微镜（TEM）图像:(a)单激光熔池边界;(b)激光熔池边界处的细晶粒区;(c)激光熔池中心区的粗粒区;(d, e)位错堆积和位错细胞;(f)单个错位细胞。

图7.AT合金的TEM图像:(a)晶粒图;(b)粒度统计图;(c)单个颗粒的图像。

图8.325℃不同热处理时间下AlNi6TiZr合金的拉伸性能:(a)应力-应变曲线;(b) AB和AT试样的强度和伸长率比较。

图9.AlNi6TiZr合金的断口形貌为(a-c) AB状态和(d-f) at – 12小时状态。  

图10.AlNi6TiZr合金高温拉伸性能:(a)应力-应变曲线;(b)强度与伸长率比较;(c-e) AlNi6TiZr合金高温拉伸断口形貌。          

图11. 325℃时效不同时间后AlNi6TiZr合金的显微硬度:(a)中间表面;(b)侧面;(c)平均显微硬度比较。              

图12.AB试样和AT试样的X-ray diffraction(XRD)谱图。右上图为红色虚线框部分的特写。          

图13. HAADF-STEM下AB试样元素分布图:(a)合金暗场图像;(b)基地;倪(c);(d)毫克;(e)如果;(f) Zr型;(g)钛;(h) Mg2Si相元素点扫描结果。              

图14. HAADF-STEM下AT试样元素分布图:(a)合金暗场图像;(b)铝 (c)镍;(d)镁;(e)硅;(f)锆 ;(g)钛;(h) Al3(钛、锆)相元素线扫描结果。          

图15. AB样品的相分布及鉴定:(a) Mg2Si和Al3Ni相的TEM图;(b) Al3Ni相;(c) Mg2Si相和α-Al;(d)单粒TEM图像;(e) α-Al和Al3Ni相;(f) α-Al的衍射图;(g) Al3Ni相的衍射图。   

图16. AT合金的相分布及鉴别:(a) Al3(Ti, Zr)相的分布特征;(b) Al3Ni相;(c) α-Al和Al3(Ti, Zr)相。

结论:

（1）AlNi6TiZr合金具有优异的抗裂性能和选择性激光熔化适应性。在270 W-1100 mm/s下制备的样品具有较高的相对密度(99.7%)。

（2）时效处理后，AlNi6TiZr合金试样的平均晶粒尺寸由1.30 μm增大到1.33 μm，表现出良好的热稳定性。时效处理过程中，由于Al3Ni相的硬壳结构和Al3(Ti, Zr)在晶界上的钉扎效应，晶粒生长受到抑制。

（3）SLMed AlNi6TiZr合金具有优异的力学性能(屈服强度: 421.7 MPa, 极限抗拉强度: 480.4 MPa, FE: 8.5%)。经325℃下12 小时后，合金的力学性能进一步提高(屈服强度: 494 MPa, 极限抗拉强度: 550.7 MPa,断裂延伸率: 9.7%)。在断口形貌上观察到大量圆形和椭圆形的韧窝，表明断裂方式为韧性断裂。

（4）AlNi6TiZr合金在200°C和250°C时的抗拉强度分别下降27.1%和44.9%。但与其他SLMed耐热铝合金相比，AlNi6TiZr在中温条件下仍具有优异的力学性能。