吕坚院士/毛新平院士等MT封面文章：采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术打印超高强铝合金

2024年7月18日，南极熊注意到，由香港城市大学吕坚院士领衔，联合北京科技大学毛新平院士、南方科技大学朱强教授、昆士兰大学张明星教授及宝航新材料公司等顶尖团队，在高性能铝合金的研发上取得了重大突破。该研究团队采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术，成功制备出具有超细异质结构与纳米级面缺陷强化的Al-4.71Mg-0.85Mn-1.28Sc-0.56Zr合金材料，这一成果标志着铝合金增材制造技术迈上了新的台阶。

该合金材料在热处理后展现出卓越的性能指标，屈服强度高达656 MPa，同时保持了7.2%的延伸率，这一数据不仅刷新了L-PBF技术生产的铝合金强度记录，也展示了其优异的综合力学性能。这一创新成果Additively manufactured fine-grained ultrahigh-strength bulk aluminum alloys with nanostructured strengthening defects已作为封面文章发表在顶尖学术期刊Materials Today上（影响因子：21.1），引起了学术界与工业界的广泛关注。

在当前“双碳”战略背景下，市场对轻质高强材料的需求日益增长，特别是在航空航天、汽车及国防等关键领域。传统铝合金增材制造受限于材料性能与工艺复杂性，难以满足高端应用的需求。本研究团队另辟蹊径，以高Mg含量的5083铝合金为基础，通过精细调控合金成分与工艺参数，成功在铝基体中引入了纳米级面缺陷，包括层错、孪晶界及9R相等，这些缺陷作为有效的强化机制，提升了合金的力学性能。尤为值得注意的是，研究团队通过“边边匹配”模型晶体学计算，精确选定了与Al基体匹配度最佳且热力学稳定的L12型Al3Sc相作为细化晶粒的关键。同时，为防止热处理过程中析出相粗化，引入了热扩散速率较慢的Zr元素，形成了复杂的Al3(Sc,Zr)相作为异质形核基底，进而在打印中促进晶粒细化与抑制裂纹。

实验结果显示，打印态下的铝合金展现出独特的三模态晶粒结构，由超细等轴晶、细等轴晶及细小柱状晶共同构成，这一分层异质结构主要归因于Al3(Sc,Zr)颗粒在材料内部的不均匀析出。深入的微观组织分析进一步揭示了纳米级层面的面缺陷，包括高密度层错、孪晶界以及9R相的存在。此打印态合金屈服强度达到约461 MPa，同时保持约21%的延伸率。

为了进一步提升其沉淀强化效果，研究团队采用了直接时效热处理工艺，即在300摄氏度下处理4小时，以促进更多纳米级强化相的析出。值得注意的是，热处理不仅增强了强化效果，还成功保留了打印态组织中原有的纳米级面缺陷及三模态晶粒异质结构，这一双重作用赋予了合金优异的综合性能——既具备超高的屈服强度（约656 MPa），又保持了优异的塑性（约7.2%）。这一热处理后的合金性能，显著超越了目前已知的大多数增材制造高强铝合金及锻造铝合金的屈服强度记录。

香港城市大学-南方科技大学联合培养博士生李干为论文第一作者，宝航新材料赵春禄为论文共同第一作者，通讯作者为香港城市大学吕坚院士，南方科技大学朱强讲席教授，昆士兰大学张明星教授与北京科技大学黄禹赫博士。展望未来，研究团队表示将继续优化合金成分与工艺路线，以期实现3D打印块状铝合金更高力学性能的突破，使之在未来制造业中发挥更加重要的作用。同时，他们也将积极探索该技术在其他高性能材料开发中的应用潜力，为增材制造技术的持续进步贡献力量。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.006