Al-Mg（-Sc）-Zr合金在选区激光熔化成形过程中柱状晶向等轴晶的转变

供稿人:高云鹏 鲁中良

金属选区激光熔化（SLM）工艺有望改变金属制造行业，特别是在常规制造中设计自由度和制造能力等方面都受到局限的领域。但是，当前用于SLM的轻金属合金（包括铝合金）的关键技术问题之一是，它们中的大多数在性能（例如屈服强度和伸长率）方面都存在显著的各向异性，从而降低了零件设计的自由度。

而澳大利亚莫纳什大学的研究团队研究发现，通过向选区激光熔化成形的Al-Mg-Zr合金中添加1.08 wt％的Sc，可将粗大的柱状晶粒改性为显著细化的柱状晶粒（如图1及图2所示）。

图1 Al-Mg-Zr合金成形试样的EBSD测试图。（a）E = 77.1 J / mm3，预热温度温度为35°C；（b）E = 154.2 J / mm3，预热温度为35°C；（c）E = 77.1 J / mm3，预热温度为200°C；（d）E = 154.2 J / mm3，预热温度为200°C。

图2 Al-Mg-Sc-Zr合金成形试样的EBSD测试图：（a）E = 77.1 J/mm3，预热温度为35°C；（b）E = 154.2 J/mm3，预热温度为35°C；（c）E = 77.1 J/mm3，预热温度为200°C；（d）E = 154.2 J/mm3，预热温度为200°C。 为了比较，在（e）中以相同比例显示了E = 154.2 J/mm3、预热温度为200°C的Al-Mg-Zr合金的EBSD图。

他们使用相同的加工参数，通过选区激光熔化成形制造了添加和不添加Sc的Al-Mg-Zr合金。没有Sc的合金显示出大的柱状晶粒，具有明显的外延晶粒生长和晶间裂纹，而具有1.08 wt％的Sc的合金则没有裂纹，并且在熔池边界显示出明显细化的亚微米等轴晶粒。这是由于存在大量有效的Al3Sc作为形核质点而促进了超细晶粒的形成。

图3 图2中以正方形标注区域的Al-Mg-Sc-Zr合金试样EBSD测试图。（a）E=77.1 J/mm3，预热温度为35°C；（b）E=154.2J/mm3，平台温度为35°C；（c）E=77.1J/mm3，预热温度为200°C；（d）E=154.2J/mm3，平台温度为200°C。

同时，他们还发现等轴晶粒的体积分数及尺寸对所施加的体积能量密度及预热温度具有较高的敏感性。当施加的能量密度和预热温度分别提高到154.2 J/mm3和200°C时，添加了Sc的合金能够获得几乎完全等轴的晶粒结构（如图3所示）。而这归因于Sc的添加能够降低温度梯度，增加重熔区体积，并能实现有效的晶粒细化作用。

参考文献：
Yang K V , Shi Y , Palm F , et al. Columnar to equiaxed transition in Al-Mg(-Sc)-Zr alloys produced by selective laser melting[J]. Scripta Materialia, 2018, 145:113-117. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.10.021

供稿人:高云鹏 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验