金属所制备出865MPa超高强耐热铝合金

本文介绍中国科学院金属研究所马宗义、肖伯律研究员团队最近在JMST上发表的关于增材制造制备超高强铝合金的研究论文。

通过激光粉末床熔化技术制备超高强度耐热Al-Fe-V-Si-Sc合金

背景和问题

增材制造技术为高效生产铝合金构件提供了机会，尤其是在航空航天和汽车工业中。然而，高强度铝合金的增材制造仍面临高裂纹敏感性的挑战。目前，商业铝合金在200–450°C范围内不适合结构应用，存在技术空白。因此，需要为激光粉末床熔化（LPBF）技术设计高性能的高温铝合金，以填补传统铝合金与钛合金之间的差距。

主要方法

研究中设计并采用激光粉末床熔化（LPBF）技术制备了Al-Fe-V-Si-Sc合金。通过调整激光工艺参数，成功制备了无裂纹且接近完全致密的样品。LPBF过程的极高冷却速率（约10⁵–10⁷K/s）促进了合金中多尺度相的形成。具体方法包括：

粉末制备：采用气雾化技术制备预合金化的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si-0.3Sc粉末。

LPBF工艺：使用Renishaw AM400机器进行打印，通过高速摄像机监测熔池稳定性。

后处理：样品在325°C下人工时效2小时后空冷。

微观结构表征：采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜和原子探针断层扫描（APT）等技术

力学性能测试：室温和高温拉伸试验，测量硬度和屈服强度等性能指标。

结果和意义

在熔池中心形成了晶态/非晶态复合结构，在熔池边界形成了多种纳米级析出相，这些结构显著提高了合金的强度。

室温下，合金的抗拉强度达到865 MPa，屈服强度为649 MPa，表现出超高强度。

在20°C至400°C的温度范围内，合金展现出优异的高温强度和热稳定性。

非晶态与晶态的协同变形、高密度ScV原子团簇、多种析出相（如Al₈Fe₂Si、Al₁₀V、Al₆Fe和Al₃Sc）的协同作用，以及异质变形诱导硬化（HDI）共同作用，显著提高了合金的强度。

通过添加Sc元素，有效抑制了热裂纹的形成，同时提高了合金的高温性能。

该研究为高性能铝合金的设计提供了新的思路，特别是在航空航天领域的高温应用中具有重要意义。通过优化LPBF工艺参数，成功制备了无裂纹、高致密的铝合金，为增材制造技术在复杂构件制造中的应用提供了有力支持。

论文信息

Ultrahigh strength heat-resistant Al-Fe-V-Si-Sc alloy fabricated by laser powder bed fusion

Xu Tang,Hao Zhang,Peng Xue,Lihui Wu,Junfan Zhang,Lifeng Zhang,Fengchao Liu,Dingrui Ni,Bolv Xiao,Zongyi Ma

通讯作者：张昊（中科院金属所），肖伯律（中科院金属所）

Journal of Materials Science&Technology,Available online 1 May 2025

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.060

论文部分图片，Xu Tang et al.,JMST,2025