铝合金是航空、汽车领域主流结构材料。选区激光熔化（SLM）因设计灵活，常用来打印复杂铝制零部件。目前研究多聚焦近共晶Al-Si、Al-Si-Mg合金，该类材料强度适中、抗热裂性好，适配3D打印；但60616、70757等高强铝基合金打印时易生成热裂纹。
向高强铝粉中添加微细硬质颗粒可抑制热裂：既可外加TiN、TiC、TiB₂形核剂，也可时效析出Al₃Zr、Al₃Sc21,22、Al₂Cu强化相。颗粒阻滞位错实现强化，还能诱导异质形核、消除易催生晶间裂纹的柱状晶。现有增材铝件极限强度仅300~500 MPa；高压扭转、累积叠轧等大塑性变形或低温球磨致密化可靠纳米细晶获得高强，兼具高流变应力与塑性的增材制造超高强铝合金仍亟待研发。
成果速览
轻量化、高强度铝合金拥有广阔的工业应用场景。但市面上大部分商用高强铝合金，例如AA7075，凝固开裂倾向严重，无法用于增材制造加工。
本文借助选择性激光熔融工艺制备自主设计的Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂铝合金，打印态合金内部析出非均相纳米尺度中熵金属间化合物片层组织。宏观压缩力学测试证明材料强度可达700 MPa以上，同时具备优良塑性变形能力。微柱压缩试验结果显示材料全部区域均产生明显背应力，部分区域流变应力数值超过900 MPa。
对变形后试样进行微观分析可以看出，铝基体中出现大量位错运动，单斜晶系Al₉Co₂脆性金属间化合物内部生成复杂位错结构与层错。
该研究证明，合理引入非均质微观组织、纳米级中熵金属间化合物，能够为增材制造制备超高强、可塑性变形铝合金提供全新设计思路。
该工作以「Additive manufacturing of an ultrastrong,deformable Al alloy with nanoscale intermetallics」为题刊登在Nature Communications。
图文解析
图1.背散射扫描电子显微镜（SEM）图像，展示激光功率300W下成形态Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金的整体显微组织。a水平（XY）截面形貌，白色方框标注区域放大见图c；b竖直（XZ）截面，Z轴为打印堆积方向，黄色虚线勾勒熔池（MP）边界；c典型熔池显微形貌，标注熔池边界与条纹状细蔷薇状组织，白色方框区域放大见图d；d跨熔池边界显微组织，粗蔷薇状组织区与细蔷薇状组织区形貌差异显著；绿色、粉色方框区域分别放大至图e、图f，对应粗、细蔷薇状组织；e粗蔷薇状组织区显微图，黄色箭头标注胞状析出相；f细蔷薇状组织区显微图，黄色虚线标记致密排布的富铝低含量细蔷薇相。
图2.纳米尺度金属间化合物的形貌与成分。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像展示了（a）细蔷薇状组织区与（b）粗蔷薇状组织区的典型形貌，同时附上各元素对应的能谱（EDS）成分面分布图。图（c）、（d）中的线扫描分别沿图（a）、（b）白色箭头采集，表征对应物相组分。细蔷薇状组织以Al₃Ti为核心，外层由Al₃Ti与Al₉(Fe,Co,Ni)₂交替片层构成；粗蔷薇状组织区内的胞状析出相则由Al₉(Fe,Co,Ni)₂组成。
图3.打印态Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金透射电镜表征图。a透射电镜明场全貌图（TEM-BF），可观察到合金内三种主要物相：铝基体（红色箭头）、Al₉(Fe,Co,Ni)₂相（橙色箭头）与Al₃Ti相（绿色箭头）。b基于高精度电子衍射花样的纳米EBSD（ASTAR）测试，得到Al基体/Al₃Ti相反极图。c Al₃Ti金属间化合物高分辨透射电镜（HRTEM）图及其对应的快速傅里叶变换（FFT）图谱，证明该相内部存在大量晶体缺陷。d对（002）晶面进行滤波处理后的逆快速傅里叶变换（IFFT）图，证实纳米级Al₃Ti金属间化合物中分布着大量位错。e高分辨扫描透射电镜（HRSTEM）图像，呈现Al₉(Fe,Co,Ni)₂金属间化合物原子排布，叠加标注钴原子位置。f采用晶体可视化软件VESTA，以单斜晶体原型相Al₉Co₂构建的晶体结构，与实测结构完全吻合。g两类金属间化合物交界面的高分辨透射电镜形貌；h对应的选区电子衍射（SAED）图谱，用于表征两相之间的取向关系。
图4.原子探针断层扫描（APT）表征分析。a原子探针测试采集前的探针针尖形貌图，图中包含三晶粒区域。b原子分布图，可见溶质元素分布饱和度不均匀。c一维浓度分布曲线：沿图(b)镍元素分布图中圆柱形目标区域自下而上采集，表征溶质元素跨越两个晶粒的分布规律。三处铝晶粒内Ti、Fe、Co、Ni元素原子分数均低于1%；同时图(c)可观察到晶界处存在元素偏析，且不同晶粒内部溶质（如镍、钛）含量存在明显波动。误差棒代表目标取样区域浓度数据的标准误差。d试样原子分布图，显示一处富集全部溶质元素的铝晶粒，以及单斜晶系Al₉(Fe,Co,Ni)₂物相。e一维浓度分布曲线：沿图(d)镍分布图内圆柱形取样区横跨相界面采集，曲线清晰体现右侧贫溶质铝晶粒至左侧Al₉(Fe,Co,Ni)₂相的成分突变。误差棒代表目标取样区域浓度数据的标准误差。f径向分布函数（RDF），数据取自图(d)黄色插图区域，结果表明单斜晶体相基体内部不存在溶质原子团簇。
图5.基于纳米压痕测试结果绘制的硬度等值云图。a完成纳米压痕硬度测试后，打印态Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金的背散射扫描电镜（SEM）形貌图。b、c由多组纳米压痕数据重构得到的硬度等值云图与杨氏模量等值云图；结果显示，熔池边界附近组织更细小，对应的硬度与杨氏模量数值相对更高。
图6.宏观压缩力学性能测试结果。a打印态Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂合金圆柱试样的宏观压缩工程应力–工程应变曲线；插图包含试样几何示意图，以及200W激光制备试样压缩后典型鼓形变形形貌。图例数字代表激光功率（单位：瓦），每种工艺参数重复三组试验以保证数据可重复性。b真应力-真应变曲线（实线）与加工硬化率曲线（虚线）叠加图：材料变形初期可实现7%均匀压缩应变，随后进入长程稳定韧变阶段。
图7.微柱压缩测试表征的微观力学性能。a室温下对300W激光制备试样的细蔷薇组织区（粉色曲线）、粗蔷薇组织区（绿色曲线）开展原位微柱压缩试验得到的真应力-真应变曲线；细蔷薇组织区流变应力可达1GPa。b微柱压缩过程形貌演变截图，箭头标示剪切面的生成位置。c粗、细蔷薇组织微柱的背应力-应变曲线，两类组织均表现出显著背应力效应。d细蔷薇组织微柱在14%应变下，依托应力-应变滞后回线计算背应力的典型示例。黑色实线由弹性加、卸载阶段线性区间拟合得到，并外推至0.1%偏移屈服应变对应的屈服点；图中标注了背应力、卸载屈服应力与加载屈服应力，便于直观说明。
总结展望
总而言之，本研究利用激光粉末床熔融（LPBF）成形工艺制备自主设计的Al₉₂Ti₂Fe₂Co₂Ni₂铝合金。合金基体中析出纳米级金属间化合物蔷薇相，其宏观工程抗压强度突破800 MPa，塑性延伸率达到20%。微柱压缩表征结果显示，细蔷薇相区域的微观抗压强度将近1.0 GPa，塑性变形能力最少可达15%。异质金属间纳米片层界面能够产生显著背应力协调变形，同时单斜晶系中熵Al₉(Fe,Co,Ni)₂金属间相本身具备优良塑性，二者共同赋予材料高强与高塑性协同的力学性能。单斜结构Al₉(Fe,Co,Ni)₂内部大量层错的生成机制，还需借助后续仿真建模工作深入探究。
该研究所得结论，为开发兼具超高强度与优良塑性的铝合金提供了全新方案，可通过引入纳米金属间蔷薇相优化合金成分与组织设计。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48693-4
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