近年来，普通3D打印Al-Si合金在航空航天领域高温承重结构件应用上的局限日益凸显，含Sc高强铝合金研发成为热点。由于Al-Sc合金优良的比强度及耐高温抗蠕变性能，复杂构件可大幅减小材料用量，从而达到增质减重的目的。此外，在实际应用场景中，许多零部件处于低循环载荷环境。然而，对于高周疲劳服役工况，在不发生明显的塑性变形条件下，复杂构件失效情况较难得到科学预防。因此，探明高温高强Al-Sc合金的疲劳强度变化规律及其主要影响因素，将进一步推动激光粉末床熔融技术在航空航天领域的应用范围。
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▲论文链接：
https://doi.org/10.37188/lam.2024.001
为此，季华实验室金属增材制造技术与装备研究团队长期致力于高强铝成分设计、工艺优化及部件制造等应用基础研究和技术开发，并开展了含Sc高强铝的疲劳强度变化规律及其主要影响因素分析工作，取得了重要进展。
在R=0.1且疲劳周次为1×107条件下，经过直接时效热处理（300℃保温5小时）后，LPBF增材制造成形Al-Mn-Sc合金的疲劳强度可达到220MPa，远高于已发表的其他工作（<150MPa）。同时由于材料沿沉积方向α-Al柱状晶的等轴化，其各向异性被极大消除，为增材制造高强铝合金在承力件上的应用奠定理论基础。
图1 LPBF成形Al-Mn-Sc合金的双态显微组织（细等轴晶和柱状晶）及晶粒尺寸分布
图2 LPBF成形Al-Mn-Sc合金的纳米析出相与热处理前、后力学性能
图3 LPBF成形Al-Mn-Sc合金的疲劳强度及与Al-Si系合金性能比较
相关研究成果以季华实验室第一单位发表于2024年第一期《Light: Advanced Manufacturing》上，题为“Multivariate relationships between microstructure evolution and strengthening mechanisms in laser powder bed fusion of Al-Mn-Sc alloy: towards improved fatigue performance”（汤华平博士为第一作者，饶衡副研究员为通讯作者）。同时以参研单位通讯作者发表于2024年《Journal of Materials Science & Technology》（中科院金属口一区顶刊）、《Additive Manufacturing Letters》、《Journal of Materials Research and Technology》等期刊上。基于该系列研究成果及团队最新开发的铝合金超高速离心雾化工艺及装备，成功申报了2023年广东省市联合基金重点项目《先进铝合金增材制造技术与强韧化机制研究》。
增材制造高强铝合金的疲劳强度影响因素较多（主要包括成形缺陷、粗大富Mn相夹杂等），着眼未来规模化工业应用，仍需进一步调整合金成分，改善粉末原材料质量，提升合金的疲劳强度及服役性能预测精确度。
来源 l 季华实验室
l 谷专栏 l
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