学术动态 | 林鑫教授团队JMST：增材制造超高强铝合金成分设计与多相协同调控实现强塑性能提升

激光粉末床熔融增材制造技术可实现复杂铝合金构件的高精度成形，但其制备的传统高强铝合金存在易开裂、强塑难以兼顾的瓶颈。Al-Mg-Sc-Zr系合金因纳米Al₃(Sc,Zr)相的强韧化作用成为研究热点，然而现有合金抗拉强度突破600 MPa时，延伸率往往低于3%，强塑权衡问题亟待解决。尽管Sc/Zr、Mn、Si等元素的单独作用已被证实，但多相共存下的竞争析出动力学、热加工过程的相演变规律，以及如何通过多相工程协同提升强塑性能，仍缺乏系统研究，成为制约该类合金工程应用的关键问题。

近期，西北工业大学凝固技术全国重点实验室、金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室林鑫教授团队与中车工业研究院有限公司（简称中车研究院）合作，在材料科学与技术领域国际顶级期刊《Journal of Materials Science & Technology》发表题为“In-situ Mg₂Si phase and post-process Al₃(Sc,Zr), Al₆Mn phases for enhanced strength-ductility performance for laser powder bed fused Al-Mg-Sc-Mn-Zr alloy”的研究论文。论文提出了适用于增材制造激光粉末床熔融（LPBF）工艺的超高强铝合金成分，并系统探究了激光粉末床熔融制备Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金的微观组织演化与力学性能调控机制，通过热力学-动力学耦合分析与原位拉伸表征，揭示了多相协同析出的强塑化机理，为高性能增材制造高强铝合金的成分设计与性能调控提供了重要的理论与技术支撑。论文第一作者为西北工业大学于君副教授，通讯作者为西北工业大学林鑫教授和中车研究院资深技术专家折洁，西北工业大学为第一完成单位。

本研究通过精准调控Al-Mg-Sc-Mn-Zr合金成分，结合LPBF增材制造与直接时效热处理工艺，构建了原位析出Mg₂Si相+后处理析出Al₃(Sc,Zr)、Al₆Mn相的多相协同体系。研究综合运用Scheil凝固计算、热场模拟、多尺度微观表征（EBSD/TEM/EDS）及原位拉伸测试，从热力学角度明确了各相的析出驱动力与稳定性，从动力学层面揭示了热历史与元素扩散对相析出的调控规律，通过原位拉伸直观阐释了合金的裂纹萌生与扩展机制。所制备的直接时效态合金屈服强度达633 MPa、抗拉强度达647 MPa，同时保持了13.8%的延伸率，相较沉积态强度提升超33%，实现了增材制造超高强铝合金的强塑协同突破。

图1 Scheil凝固曲线+XRD分析：左侧曲线清晰呈现Al₃(Sc,Zr)、Al₆Mn、Mg₂Si三相的析出温度与体积分数差异，右侧XRD图谱验证沉积态与时效态的相组成，直观体现成分调整对相结构的调控作用。

图2沉积态/时效态EBSD+晶粒尺寸分布：展示熔池边界细晶（0.64μm）与内部粗晶（1.84μm）的双模态结构，时效后晶粒尺寸保持稳定，为强塑协同提供结构基础。

图3次生Al₃(Sc,Zr)TEM+粒径分布：呈现1.21nm纳米次生Al₃(Sc,Zr)相的高密度析出特征

图4应力-应变曲线+性能对比：曲线与图表证实时效态合金633MPa屈服强度、13.8%延伸率的强塑协同优势

图5时效态合金原位拉伸裂纹形貌：原位捕捉时效态合金拉伸至断裂的裂纹演变过程，载荷1325~1350N时发生断裂，裂纹优先在细-粗晶界面萌生，初生Al₃(Sc,Zr)相周边也出现裂纹源，源于晶区间应变不相容及界面脆性Al₆Mn相引发的应力集中

图6时效态合金拉伸后EBSD与KAM分析 ：展示合金拉伸后的双晶EBSD形貌及KAM分布统计，应力集中主要位于晶界，细-粗晶界面KAM值（0.49°±0.26°）显著高于晶内，证实界面几何必需位错大量堆积，是诱发裂纹的核心原因。

研究提出了适用于增材制造激光粉末床熔融（LPBF）工艺的超高强铝合金成分，并实现了原位与热处理协同的相调控。通过热力学-动力学耦合分析、多尺度微观表征与原位力学测试等方法，系统开展了相关研究，发现初生Al₃(Sc,Zr)通过异质形核作用构建了细化的双模态晶粒结构，为合金提供了基础强韧化效果，而原位析出的Mg₂Si与后处理阶段析出的Al₃(Sc,Zr)、Al₆Mn则形成了多相协同析出，实现了固溶强化、晶界强化与沉淀强化相结合的多机制强化，使时效态合金强度提升至647MPa，同时保持13.8%的延伸率。此外，热历史与元素扩散行为动力学差异决定了多相的析出时序，为增材制造合金的工艺-相结构调控提供了理论指导。研究还发现，细晶与粗晶界面的应变不协调是裂纹萌生的核心因素，为后续微观结构优化指明了方向。

林鑫，西北工业大学教授、博士生导师，国家级领军人才，英国皇家学会牛顿学者，担任金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室主任等职。长期从事金属增材制造专用材料设计、关键技术与装备研发，先后承担国家重大科技专项、国家重点研发计划等国家级项目20余项，在JMST、Addit. Manuf.等国际顶级期刊发表论文600余篇，他引17000余次，授权发明专利60余项，制定国家标准30余项，团队成果在航空、航天、轨道交通等领域实现工程应用。

于君，西北工业大学长聘副教授、博士生导师。长期从事金属增材制造专用材料设计、组织性能调控及功构一体化制造基础研究。近年来主持国家重点研发计划课题、军口国家级纵向项目课题、国家自然科学基金青年/面上等科研项目9项，主持和参与制订国家标准20余项，获机械工业科学技术二等奖、全国有色金属标准化技术委员会技术标准一等奖、西北工业大学教学成果特等奖等奖项，在JMST、Corros. Sci.和Mater. Res. Lett等发表论文50余篇，授权国家/国外发明专利5项，现担任中国医药生物技术协会3D打印技术分会委员等。

图文 | 金属高性能增材制造与创新设计团队

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

审核 | 禹亮