专栏 l 一种通过热裂敏感性系数设计具有一定热稳定性的铝合金的方法

选区激光熔化（SLM）增材制造工艺制备铝合金近年来吸引了很多研究者的关注，重要的研究方向之一是开发设计新型适用于SLM工艺的铝合金成分。在设计时除了考虑到合金的力学性能外也可以获得其他的功能特性。

据此，来自上海交通大学特种材料研究所的陶铝增材制造团队报道了一种通过热裂敏感性系数设计具有一定热稳定性的铝合金的方法，并对制备的合金进行了组织和性能分析。

相关论文以题目“Design, microstructure and thermal stability of a novel heat-resistant Al-Fe-Ni alloy manufactured by selective laser melting”发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。本期谷.专栏，将分享这一科研成果的主要内容。

适用于SLM的新型耐热铝合金

近年来，选区激光熔化（SLM）增材制造技术因其能够制造具有复杂结构的零部件、缩短组装过程和减少材料浪费而受到越来越多的关注。此外，在 SLM 过程中实现了高冷却速率，从而产生了细小的微观组织和优异的力学性能。

作为最常见的有色金属，铝合金在汽车和航空航天领域的轻量化制造方面有着广泛应用。目前，大量研究集中在铝合金的 SLM 参数优化和微观结构分析，与常规生产的合金相比，这些铝合金在室温下表现出优异的强度。

然而，大多数适用于 SLM 加工的铝合金是传统的铸造合金，如AlSi10Mg、Al-12Si、AlSi7Mg。由于上述近共晶或共晶成分的Al-Si(-Mg)系合金的凝固区间窄、凝固收缩小、流动性高，有利于形成致密的显微组织。但由于Si结构的破坏这些合金在高温（300℃以上）下不能具有稳定的高强度，这就限制了增材制造铝合金的在某些具有一定温度使用要求场合的应用。因此，有必要开发一种适用于SLM 增材制造的新型耐热铝合金。

众所周知，耐热铝合金的组织和性能的热稳定性通常是依靠高体积分数的热稳定共晶相、陶瓷颗粒或低粗化速率的析出相实现的。考虑到 Fe 和 Ni 元素在 Al 中的低扩散，Al-Fe-Ni 合金的热稳定性可能较好。前人的研究指出Al-Fe-Ni合金研究和应用的重点问题是避免粗大初生相的产生，因此非平衡凝固工艺（如粉末冶金和定向凝固技术）和调节铸造合金得成分是避免Al-Fe-Ni合金中粗大初生相的两条主要技术路线。而SLM 作为一种非平衡快速凝固技术有助于避免粗大初生相的产生。但是由于Al-Fe-Ni合金的增材制造并未见诸报道，具体采用何种成分的Al-Fe-Ni合金仍有待研究。

在该论文中，研究团队设计并通过铸造实验确定了用于SLM的Al-Fe-Ni合金成分，并对合金的热稳定性进行了进一步的评估。Fe/Ni质量比为1.4的各成分Al-Fe-Ni合金的铸态微观组织表明，Al-1.75Fe-1.25Ni成分的合金微观组织为α-Al/Al9FeNi共晶，而提高Fe和Ni的含量会引入初生Al9FeNi相，并且随着Fe和Ni元素含量的增加合金中的Al9FeNi相的体积分数和尺寸都显著增大。

图1 相关的合金的铸态微观组织

通过不同的参数制备的增材制造样品中都没有观察到裂纹，并且获得了近99.5%的相对度。

随后，对沉积态样品的热稳定性进行了评估。在不同温度下保温1小时后测试了样品硬度值的变化，发现能使样品硬度稳定的温度区间在300~400℃之间。为进一步确定合金硬度稳定的最高温度，分别在300、350和400℃进行了长时间的热暴露。

最终确定合金硬度值稳定的温度为300℃，并且经长达两天的热暴露后硬度值几乎没有下降。证明设计成分的合金在300℃具有较好的热稳定性。随后的组织分析也证明了，晶粒尺寸和Al9FeNi相的在300℃下的稳定是其硬度值保持稳定的重要原因。

图2 设计合金的热稳定性评估

综上，论文所述的合金在300℃长时间热暴露下的微观组织和硬度可以保持稳定，有望作为新型的耐热铝合金材料。

相关研究受到国家自然科学基金资助(52075327，52004160)，感谢TESCAN China在微观组织表征方面给予的帮助。

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