第一作者：徐京豫，袁伟豪  通讯作者：柳林，张诚，陈辉

【引言】

增材制造(AM)在加工铝合金方面比传统制造技术具有显著优势,激光粉末床熔融(LPBF)技术是一种前景广阔的增材制造技术。然而,通过LPBF制备的高强度铝合金通常面临一些挑战,包括较差的成形性和不理想的微观结构,如粗大的柱状晶甚至微裂纹,导致最终铝合金构件的力学性能差。迄今为止，除共晶铝硅系合金外，多数高强铝合金体系在LPBF成形过程中，易发生开裂而难以制备出高质量铝合金产品。如何提高LPBF铝合金的成形性和改善其微观结构成为本领域亟需解决的关键问题。

【成果简介】

近日，华中科技大学非晶态材料研究室柳林教授团队设计了一系列新型高强LPBF成形的Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金(x=0.3、0.6、0.8、1.3at%), 并结合高保真模拟和实验，系统地研究了Zr含量对LPBF Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金成形性、微观组织和力学性能的影响。

研究发现,随着锆含量的增加,铝合金的成形性显著改善,表现在LPBF过程中熔池飞溅和缺陷(包括孔洞、球化、颈缩和不连续)逐渐减少,导致表面粗糙度降低。高保真模拟表明, LPBF成形性主要由熔池的稳定性决定，而熔池稳定性与熔池中的熔体速度梯度（MVG）和Marangoni力密切相关。锆含量增加会使MVG分布更加均匀,并减小Marangoni对流, 有利于熔池稳定性和成形性的提升。

另一方面, 锆含量对微观结构也产生了显著影响。尽管四种LPBF成形的铝合金都表现出粗晶区(CGZs)和细晶区(FGZs)交替分布的异质结构, 但随着锆含量的增加, CGZs中粗大的柱状晶结构转变为精细的等轴晶。这种由柱状晶到等轴晶的转变 (CET)是由于随着锆含量增加,固液界面处的温度梯度(G)与凝固速率(R)之比(G/R)逐渐降低。此外,锆含量的增加还导致CGZs和FGZs中晶粒尺寸逐渐细化, 这是由于冷却速率(G*R)的增加促进了平均晶粒的细化。由于良好的成形性和完全细化的等轴晶结构, 通过LPBF制备的含0.8和1.3at%锆的铝合金几乎全致密,表现出优异的高强度和良好的延展性。本研究为设计具有良好成形性和优异力学性能的新型LPBF铝合金提供了理论依据和技术路线。

相关工作以题为“Improving the processability and grain structures of additively manufactured Al-Fe-Cu-xZr alloy: Experiment and high-fidelity simulation”的研究论文发表于Additive Manufacturing期刊。论文第一作者为华中科技大学博士生徐京豫和爱尔兰都柏林圣三一大学博士生袁伟豪，通讯作者为华中科技大学张诚教授、柳林教授和西北工业大学陈辉教授，合作者还包括爱尔兰都柏林圣三一大学的殷硕教授。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104074