选择性激光熔化6063铝合金的微观结构与力学性能的影响：添加Zr和Sc的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of Microstructure and Mechanical Properties of Selective Laser Melted 6063 Aluminum Alloy: Addition of Zr and Sc

Zr和Sc元素对SLM加工6063铝合金微观结构与性能的影响研究。通过添加Zr和Sc，发现熔池内形成粗大晶粒区，熔池边缘形成细晶区双模结构，Al3(Zr,Sc)相析出细化晶粒，提升力学性能。Sc元素效果更优，最大抗拉强度达334.8MPa，延伸率42.7%，抑制裂纹形成，为工程应用提供理论依据。

　　

Xutao You|Fenggang Liu|Fencheng Liu|Mengjie Wang|Haisheng Tong|Ying Cai|Huajing Zhai|Xin Wang|Qifan You|Qiuge Li

摘要

本文研究了锆（Zr）和钪（Sc）添加对选择性激光熔化（SLM）6063铝合金凝固过程中微观结构演变、沉淀行为以及初生相形成机制的影响。研究结果表明，添加Zr和Sc后，SLM制备的6063铝合金形成了双模态微观结构：熔池区域为粗晶区，熔池边缘区域为细晶区。在细晶区内形成了大量的初生相，而粗晶区中的初生相较少。通过计算Al₃Zr和Al₃Sc相的晶格失配程度，发现Al₃Zr相的核能效率（0.74）高于Al₃Sc相（1.32）。同时，晶粒得到细化（细晶强化），提高了6063铝合金的性能，并增强了其抗裂性。添加了1.0 wt.% Sc的SLM 6063铝合金的最大抗拉强度为183.1 MPa，伸长率为42.7%；而未添加Sc的合金最大抗拉强度为334.8 MPa。相比之下，Sc元素对提高SLM 6063铝合金的力学性能具有更好的效果。本文旨在为SLM 6063铝合金的工程应用提供理论基础。

引言

6063铝合金是一种低合金铝合金，属于中高强度 wrought 铝合金。由于其良好的加工性、耐腐蚀性和表面处理性能，被广泛应用于建筑、交通和电子等领域[1]、[2]、[3]、[4]。随着科学技术的进步和通信领域高端设备的快速发展，传统的铝合金生产和制造方法已无法满足新的应用需求。选择性激光熔化（SLM）技术具有较高的设计自由度和较短的生产周期[5]、[6]，能够实现复杂零件的近净成形，为快速生产精密铝合金提供了重要途径。

然而，6063铝合金粉末的打印性能较差，在SLM成形过程中容易出现球化现象和孔隙缺陷。Pozdniakov等人[7]指出，其较差的打印性能主要归因于铝对激光的高反射率、易氧化性以及复杂的熔池动力学。6063铝合金较宽的凝固温度范围、较高的热膨胀系数和凝固收缩率使其具有较高的裂纹敏感性。这些特性在凝固后期会导致沿晶界形成连续的液膜，在SLM快速冷却产生的强烈热应力作用下，这种脆性的液膜容易破裂，从而引发裂纹的产生和扩展[8]，极大地限制了SLM制备的6063铝合金的生产和应用。向SLM铝合金中添加微合金元素或增强颗粒不仅可以改善样品的微观结构，还能增强其力学性能。Ji等人[9]发现SiC对激光能量的高吸收率有助于提高SiC/AlSi10Mg粉末的激光吸收率，添加SiC颗粒可以改变AlSi10Mg晶粒的生长方向。Opprecht等人[10]指出ZrO₂纳米颗粒对Al基体具有显著的异质形核作用，而Y₂O₃纳米颗粒虽然能减小柱状晶粒尺寸，但无法改变其形态。此外，双模态微观结构的形成使得大量初生Al₃Zr相在熔池边缘沉淀，为6063铝合金提供了丰富的异质形核点。基于上述研究，可以认为在SLM成形过程中，复合增强颗粒可作为Al基体的异质形核点，细化晶粒，从而抑制裂纹的产生。然而，对增强相的选择要求较高，它们必须具有较低的热膨胀系数、良好的热稳定性和对铝基体的良好润湿性[11]、[12]，这使得能够有效增强SLM铝合金的复合增强颗粒较为有限。

Jia等人[13]开发了一种具有细等轴-柱状双模态晶粒结构的高强度Al-Mn-Sc合金，避免了大多数传统高强度铝合金在SLM成形过程中的裂纹问题。Croteau等人[14]发现Mg可作为Al-Mg-Zr合金的固溶强化剂，而Zr元素在凝固过程中形成了亚稳态的L1₂-Al₃Zr沉淀物，细化了晶粒并提高了抗拉强度（Hall-Petch强化）和延展性。Wang等人[15]研究了Al-Mg-Sc-Zr合金的强度和韧性协同增强机制，发现由于其超细晶粒带的高动态恢复能力，该合金具有较低的应变硬化能力。在拉伸过程中，超细晶粒区与粗晶粒区之间的应变分段促进了几何必要位错的形成，产生了额外的背应力强化，提高了Al-Mg-Sc-Zr合金的应变硬化能力。Nie等人[16]研究了Zr元素对SLM制备的Al-4.24Cu-1.97Mg-0.56Mn合金微观结构的影响，发现随着Zr含量的增加，合金密度逐渐增加，Zr元素的添加扩大了SLM成形窗口，SLM成形过程中沉淀的Al₃Zr相对Al-4.24Cu-1.97Mg-0.56Mn合金具有异质形核作用，使其晶粒逐渐细化，从柱状晶粒转变为等轴晶粒，降低了裂纹敏感性。Qbau等人[17]研究了Sc元素对SLM制备的6061铝合金裂纹缺陷的抑制作用，发现Sc元素能有效抑制裂纹的产生。Spierings等人[18]发现Sc和Zr元素改性后，Al-Mg合金的晶粒得到细化，形成了双模态晶粒结构，这与Al₃(Sc, Zr)的分布有关。Vlach等人[19]研究了冷轧对粉末冶金制备的AlScZr和AlMnScZr合金再结晶行为的影响，发现含有Sc和Zr的颗粒在至少420°C以下的温度下表现出显著的抗再结晶作用。因此，适量的微合金元素对SLM制备铝合金的微观结构和力学性能有良好的改善效果，可以有效抑制成形裂纹缺陷，减弱微观结构的各向异性，使微观结构更加均匀。

总之，大多数研究表明，添加微量Sc和Zr元素可以改善铝合金的微观结构和力学性能。然而，Sc和Zr元素在6XXX铝合金中的形核机制及其对6063铝合金成形质量和性能的影响尚不明确。因此，本研究旨在解决SLM制备的6063铝合金成形质量差和力学性能低的问题，通过探讨不同Zr和Sc含量对其微观结构的影响，明确晶粒细化机制和微观结构演变规律，并分析其拉伸断裂机制，以确定优化的工艺参数，为其工程应用提供理论基础。

材料制备

材料制备

本文中使用的6063铝合金粉末由江西宝航先进材料有限公司通过真空气体雾化法制备，其粒径主要分布在15 ~ 53 μm范围内。粉末中各元素的含量如表1所示。Zr和Sc粉末分别由长沙Tijo金属材料有限公司和上海奈欧纳米科技有限公司生产，粉末颗粒形状不规则，粒径≤30 μm和≤3 μm。

微观结构特征

图3展示了选择性激光熔化制备的Zr/Sc-6063铝合金的X射线衍射图谱和沉积方向极性图。从图3(a, b)可以看出，XRD图谱主要由α-Al相的(111)、(200)、(220)和(311)晶面衍射峰组成，其他沉淀相没有明显的峰，但两种改性合金的沉淀相峰不同。这是因为6063铝合金的特性所致。

Al₃(Zr, Sc)相的沉淀行为

研究表明，Zr和Sc的添加可以细化SLM制备的6063铝合金的晶粒尺寸，熔池底部为FG区域，熔池内部为CG区域。这种晶粒形态与初生Al₃(Zr, Sc)相的凝固和沉淀过程密切相关。

结论

本文以6063铝合金为研究对象，重点探讨了Zr和Sc添加对其性能的改善效果，研究了Zr和Sc添加对6063铝合金微观结构演变、晶粒细化机制及初生相沉淀不均匀性的影响，得出以下结论：

(1) Zr和Sc的添加可逐渐减小6063铝合金的晶粒尺寸，其晶粒形态发生变化。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

未引用参考文献

[40]

资助

本文得到了中国国家重点研发计划[项目编号2022YFB4600300和2022YFB4600304]、国家自然科学基金[项目编号52265053]、航空科学基金[项目编号2024Z049165002、2023Z049056001]、内蒙古自治区科技规划项目[2025YFHH0112]、江西省自然科学基金[项目编号20242BAB25270]以及西安市科技计划项目的资助。

作者贡献声明

Huajing Zhai：方法学研究、数据分析。Xin Wang：方法学研究、数据分析。Qifan You：方法学研究、数据分析。Qiuge Li：方法学研究、数据管理。Xutao You：初稿撰写、资源收集、数据分析、概念构建。Fenggang Liu：撰写审查与编辑、验证、监督、资金争取。Fencheng Liu：监督、资金争取、正式分析。Mengjie Wang：撰写审查与编辑、方法学研究、数据分析。Haisheng Tong：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。