上海交大特种材料研究所 l 增材制造Al-Mg-Sc-Zr 合金双模异质结构演化中的晶粒异常长大现象

| 3DScienceValley · 2024/08/15

谷专栏

以下文章来源于Materials Research Letters ，作者MRL

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根据3D科学谷的市场研究，铝合金的“双模”晶粒组织通常指的是一种具有两种不同尺寸晶粒的微观结构，这种结构可以提高材料的综合性能，如强度和塑性。在铝合金中，通过细化晶粒来获得细小均匀的等轴晶组织，可以提高材料的屈服强度、改善加工工艺性能、提高铝件的表面质量和抗腐蚀能力，以及减少形成条纹的倾向。晶粒细化处理的基本原理是增加形核核心的数量，通过在少量添加剂的作用下或快速凝固及各种物理作用下提高金属或合金组织分散度。

在一些研究中，通过控制晶粒尺寸大小，利用小的纳米晶粒提供强化作用，较大的纳米晶或超细晶提供储存位错的能力，实现了强度-塑韧性的同时提高。

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上海交通大学特种材料研究所团队研究揭示了L-PBF增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金中“双模”异质晶粒结构在高温下的演化行为，本期3D科学谷的谷专栏将针对这一研究进展做特别分享。

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近年来，随着激光粉末床熔融（L-PBF）等金属增材制造技术的迅速发展，以铝-镁-钪-锆（Al-Mg-Sc-Zr）合金为代表的一系列添加Sc/Zr合金元素改性的新型铝合金因兼具良好的增材制造成形能力和出色的综合力学性能，引起了国内外研究者的广泛关注。该系列合金的优良力学性能来源于其增材制造过程中形成的独特“柱状晶+等轴晶”的“双模”异质晶粒结构（图1）和经高温时效后产生的纳米Al3(Sc,Zr)析出相。然而，增材制造“双模”异质晶粒结构在高温下的演化规律和物理机制尚不清晰，对于调控获得具有理想组织和性能的增材制造铝合金零部件带来挑战。

▲图1 L-PBF打印态Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒组织

近期，上海交通大学特种材料研究所团队在深刻理解晶界与纳米析出相交互作用规律和晶粒失稳长大物理机制的基础上，发现并解释了L-PBF增材制造经典Al-4.31Mg–0.65Sc–0.22Zr–0.24Mn–0.12Ti (wt.%) 合金经时效和高温热暴露后，合金中随机取向的亚微米细小等轴晶中出现的晶粒异常长大现象。相关研究成果以“Abnormal grain growth in randomly-oriented fine grains in an Al–Mg–Sc–Zr alloy processed by laser-powder-bed-fusion”为题的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为上海交通大学材料学院博士研究生陈砚池，通讯作者为上海交通大学崔宇驰副教授，陈哲教授和李险峰研究员，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室为第一通讯单位。

多晶材料在高温下为减小系统中存储的额外晶界能，往往会通过晶界迁移而发生晶粒长大。晶粒长大有两种典型形式：一种是晶粒组织整体发生均匀长大，称正常晶粒长大（NGG）；另一种则是组织中个别晶粒通过吞噬其他晶粒而猛烈长大，称异常晶粒长大（AGG）。在“双模”晶粒组织中，等轴晶晶粒尺寸更小、取向随机而无明显织构、内部难以累积位错，通常认为，这样的晶粒难以获取相对其他晶粒的生长优势，因而不太可能发生异常晶粒长大。

▲图2 L-PBF+325°C/4 h时效后Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织表征

本工作中发现L-PBF打印态合金呈现典型的“双模”晶粒结构，其中细小等轴晶具有亚微米晶粒尺寸和随机取向（图1），经325°C/4 h直接时效后，细小等轴晶组织没有遭到明显破坏（图2）。但是，对时效后合金再进行500°C/ 2h热暴露后，随机取向的细小等轴晶发生晶粒异常长大现象。在异常长大较充分的位置，多个异常长大晶粒相互接触而呈带状形态，几乎完全吞噬原本等轴晶区域；而在个别异常长大晶粒初步启动的位置，可在等轴晶区内部发现与柱状晶和其他异常晶粒不相接触的异常长大晶粒（图3），同时，未发生异常长大的剩余细等轴晶尺寸也增至1 μm以上，说明晶粒异常长大可能是晶粒正常长大失稳的结果。

作者结合透射电子显微镜（TEM）表征分析认为，经500°C热暴露后，时效形成的细小Al3(Sc,Zr)纳米析出相明显粗化，析出相平均半径由约1.5 nm增至约5.2 nm，第二相对晶界的钉扎作用随热暴露时间增加而不断衰减。作者据此基于Rios等人的经典模型 (Acta Mater., 1997)，通过比较任意尺寸的单个晶粒与晶粒组织整体长大速率的关系，推广提出了不稳定第二相钉扎作用下任意尺寸晶粒的长大失稳判据。推广判据指出，在L-PBF Al-Mg-Sc-Zr合金中，晶粒尺寸细小的等轴晶更易满足触发晶粒异常长大的条件，与所观察到的实验现象一致。

▲图3 L-PBF+325°C/4 h+500°C/2 h热暴露后Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织表征

本研究揭示了L-PBF激光粉末床选区熔融增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金中“双模”异质晶粒结构在高温下的演化行为，发现了“双模”组织中随机取向的亚微米等轴晶在高温热暴露下可发生晶粒异常长大现象，并通过分析提出不稳定第二相钉扎作用下任意晶粒的长大失稳判据，解释了合金中随机取向等轴细晶在缺少其他生长优势的情况下发生异常长大的原因，为异质晶粒结构材料的微观组织设计调控提供了支撑。同时，本研究提出的晶粒异常长大的推广判据也可能适用于分析其他存在第二相对晶界钉扎作用的多晶材料中的晶粒异常长大现象，对在生产中主动利用或抑制晶粒异常长大、获得理想的材料微观组织具有启发意义。

文献信息
Yanchi Chen, Xiang Chen, Han Chen, Yakai Xiao, Jing Dai, Yidan Chen, Yuchi Cui*, Chengyi Dan, Zhe Chen*, Xianfeng Li* & Haowei Wang(2024) Abnormal grain growth in randomly-oriented fine grains in an Al–Mg–Sc–Zr alloy processed by laser-powder-bed-fusion, Materials Research Letters, 12:9, 635-643.

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