Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
本研究表明，通过优化激光定向能量沉积 Al–7Mg 合金中的 Sc/Zr 和 Zn/Zr 改性，可以有效细化晶粒结构，从而实现高抗拉强度与耐腐蚀性的卓越平衡，为减少对钪的依赖提供了一种具有成本效益的策略。
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用于飞机、汽车和船舶的金属零件通常需要既极其坚固又极其轻盈，同时还必须能够抵抗缓慢且具有破坏性的锈蚀和盐水的侵蚀。几十年来，工程师们一直依赖铝来承担这些工作，因为铝天生轻巧且具有抗腐蚀性。然而，制造出既能承受高应力应用又足够坚固的铝制零件一直是一个持久的挑战，尤其是在使用现代逐层构建物体的制造技术时。其中一种被称为激光定向能量沉积的技术，其原理类似于一种高精度的焊接火炬，通过熔化金属粉末并将其熔合为一个固体形状。虽然这种方法可以创造出传统工厂无法生产的复杂且轻量化的结构，但它往往会在金属内部留下粗糙、不均匀的结构，从而导致金属变弱且容易产生裂纹。为了解决这个问题，科学家们长期以来一直试图在铝的混合物中添加微量的特定元素来细化其内部晶粒结构，就像面包师添加特定的成分以确保面包均匀膨胀一样；但如何做到这一点而不使用昂贵或稀有的材料，一直是该领域的“圣杯”。
一个研究小组着手解决这一问题，他们测试了两种不同的策略来改良一种含有7%镁的常见铝合金。他们的目标是观察是否可以创造出一种不仅强度高、无裂纹，而且具有抗腐蚀性，同时还能保持低成本的材料。他们首先利用激光熔化并融合金属粉末，通过仔细调节激光功率和移动速度，确保金属熔化平滑，而不形成孔洞或裂纹。在完善了基础铝合金的打印工艺后，他们引入了两组不同的添加剂。第一组包括少量的钪（scandium）和锆（zirconium），这些元素以能够将大型金属晶粒分解为微小、均匀的晶粒而闻名，尽管钪的成本极高且难以获取。第二组则用更便宜、更常见的金属锌（zinc）取代了昂贵的钪，并将其与锆配对，以观察是否能取得类似的效果。
实验结果揭示了这些添加剂如何改变金属的清晰图景。未经任何特殊添加的基础铝合金形成了平均直径超过一百微米的晶粒，这大约是一个人类发丝的宽度。当研究人员加入钪和锆时，内部结构发生了剧烈变化。晶粒变得极其细微，平均尺寸缩小到不到十微米。这种细化使金属变得显著更强且更加均匀。含有较高含量钪的合金表现最为强韧，能够在断裂前承受超过四百兆帕的拉力，同时仍保持足够的柔韧性以进行拉伸而不折断。有趣的是，经锌改良的合金也比基础金属有了显著提升，其晶粒缩小到了约十五至十六微米。虽然不及钪版本那样细腻，但这种细化程度仍然令人印象深刻，并造就了一种强度接近于昂贵选项的材料。
除了强度之外，研究人员还非常关注这些新合金在面对腐蚀时的表现，而腐蚀性是任何用于海洋或汽车环境中的金属的关键因素。他们将打印出的样本暴露在持续的盐雾中数日，以模拟恶劣环境。含有较低含量钪的合金在此项测试中表现最佳，重量损失最少，腐蚀速率最慢。经锌改良的合金虽然强度很高，但表现出略高的腐蚀率，这表明锌可能会在金属内部创造出一些更容易发生锈蚀的微小区域。研究还注意到，在激光打印过程中，由于热量剧烈，部分镁和锌发生了蒸发，但合金仍保留了足够的这些元素以发挥预期功能。相比之下，钪和锆在整个过程中保持了稳定。
研究结果为该行业指明了一条切实可行的路径。虽然经钪改良的合金提供了强度与抗腐蚀性的最佳平衡，但经锌改良的版本提供了一个极具竞争力的低成本替代方案，且依然能提供高性能。研究人员证明，通过精确控制打印过程并选择合适的元素组合，可以制造出既无裂纹、具有极细内部结构，又具备高强度需求应用的铝制零件。这项工作表明，工程师并不一定需要依赖最昂贵的材料来获得高质量的结果；相反，他们可以通过使用常见元素与稀有元素的战略性组合，来定制面向未来的轻量化制造铝材。
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