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作為可沉淀強化的輕質材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強度、高損傷容限和優異的可加工性能而廣泛應用于航空航天領域。然而，由于7xxx系列鋁合金存在高熱裂和氧化敏感性，激光粉床熔融（LPBF）增材制造或電弧增材制造（WAAM）的快速冷卻速率和大熱輸入可能導致粗晶粒、元素分離和多種缺陷（如裂紋和孔隙），從而損害7xxx系列鋁合金的性能。
激光-電弧復合3D打印技術在穩定電弧行為和抑制缺陷方面得到了廣泛認可。但現有的單一激光或電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金仍然存在一些不可忽略的問題和挑戰。學界對于改善增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫機械性能的研究仍然缺乏。
Graphical abstract
為此，大連理工大學高性能精密制造國家重點實驗室馬廣義教授團隊創新性地提出了脈沖激光-電弧復合增材制造技術，相關最新研究成果在國際知名期刊Journal of Materials Science & Technology上發表（封面論文）。該技術采用定域可控的脈沖激光作為熱源之一，與熱輸入較大的電弧復合共同熔化焊絲，通過激光-電弧耦合作用實現Al-Zn-Mg-Cu合金構件的高質量制造。此論文提到的方法為高性能輕質合金制造提供了一種有效的選擇。
JMST封面
研究人員開發了形性聯合調控的增材與后續熱處理工藝，發現了Al-Zn-Mg-Cu合金“成分-相變”聯合強化機制：共格納米析出相剪切強化機制阻礙位錯運動。基于熱力學和動力學理論，計算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學性能演變機理。復合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金樣件的常溫抗拉性能>600 MPa，高溫抗拉性能>360 MPa，優于單一激光或電弧增材制備的Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu以及Al-Mg合金，能夠與常規鍛造的7075鋁合金相媲美。這些發現為高性能輕質合金制造提供了一種全新的思路。
圖1. (a) LAHAM系統；(b) 沉積的Al-Zn-Mg-Cu標本的宏觀照片和拉伸標本的尺寸；(c) YOZ平面的表面輪廓。
圖2. 在Al-Zn-Mg-Cu合金中的孔隙分析，顯示了從XCT重建的形態和分布：沉積狀態下的孔隙形態的3D可視化(a)和經熱處理標本(b)；沉積狀態下等效直徑的頻率分布(c)和經熱處理標本(d)；(e)等效直徑的分布。
圖3. 沉積狀態標本(a)和經熱處理標本(b)的反極圖（IPF）和極圖（PF）；(c)晶粒尺寸分布；(d)晶界錯配角百分比。
圖4. 沉積狀態標本平行于掃描方向的SEM圖像(a)和垂直于掃描方向的SEM圖像(b)；(c)放大的SEM圖像和點掃描結果；(d)對應(b)中的元素分布。
圖5. 經過熱處理標本的典型SEM圖像(a)和高倍放大的SEM圖像(b)；(c)在(b)中的對應元素分布；(d)次生相的EDS線掃描；(e)點掃描結果。
圖6. 沉積狀態的Al-Zn-Mg-Cu合金中不同相的透射電子顯微鏡（TEM）結果：共晶的HAADF圖像和元素分布(a)，η相的TEM圖像(b)，高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像(c)，FFT圖案(d)，以及η相的EDS映射(e)。
圖7. 經過熱處理的Al-Zn-Mg-Cu合金中的沉淀特征：BF-TEM圖像(a)，HRTEM圖像(b)，EDS映射(c)，放大的HRTEM圖像(d)，(e)FFT圖案和η'沉淀的化學組成。
圖8. 沉積狀態標本(a)和經熱處理標本(b)的微觀硬度。
圖9. (a) 沉積狀態[31]和經熱處理標本在室溫（RT）和高溫（HT）下的工程應力-應變曲線；(b) (a)中對應的平均0.2%屈服強度、抗拉強度和延伸率；(c) 本研究和先前文獻中473 K時不同鋁合金的0.2%屈服強度和斷裂應變總結（AlSi10Mg [39,40]，AlSi10Mg+TiCN [41]，Al-Si-Mg [42]，Al-Mg-Sc-Zr [17]，Al-Mg-Mn-Sc-Zr [43]，Al-Cu+TiO2 [44]，Al-Cu [45]，Al-Cu+Y [45]，經熱處理后的鍛造Al-Zn-Mg-Cu合金 [46,47]）。
圖10. (a) Al-Zn-Mg-Cu合金的相圖[49]和相應的沉淀溫度范圍；(b) 經熱處理標本在高溫拉伸實驗前后的BF-TEM和STEM圖像。
圖11. (a) 經熱處理標本中η'沉淀的HRTEM圖像；(b) (a)的對應逆FFT；(c) (a)對應的計算應變圖（εxx）；(d) 從(c)中沿箭頭方向提取的應變分布；(e) 沉積狀態標本中η相的HRTEM圖像和FFT圖案；(f) (e)虛線框中對應的計算應變圖（εxx）；(g) 從(f)中沿箭頭方向提取的應變分布。
在這項研究中，調查了激光電弧混合增材制造的Al-7.81Zn-1.46Mg-2.34Cu合金的微觀結構與高溫機械性能之間的關系，并通過熱處理實現了強化。主要結論如下：
(1) XCT結果表明，LAHAM制造的Al-Zn-Mg-Cu標本沒有裂紋，但存在內部氫氣孔。沉積狀態的標本相對密度為99.55%，平均孔等效直徑為8.6 μm。經過熱處理后，孔隙的體積分數達到了0.78%，孔隙發生了生長。
(2) 經固溶處理和人工時效處理后，沿晶界的連續分布的共晶被破壞。大量的η'沉淀均勻分布在經熱處理標本的鋁基體中。亞穩態的η'相展現出與基體半一致的界面，并導致應變場，可以增加473 K下的滑移形變抵抗。
(3) 經過熱處理的標本在高溫下展現出良好的機械性能（0.2%屈服強度：318 ± 16 MPa，抗拉強度：362 ± 20 MPa，延伸率：6.8% ± 0.3%）。473 K下的0.2%屈服強度和抗拉強度分別比沉積狀態標本提高了約58%和51%。
(4) 沉積狀態的標本呈現脆性斷裂，裂紋更傾向于沿著聚集的共晶傳播。由于高溫下的拉伸加載，一些晶粒傾向于滑移和變形，經過熱處理后，塑性變形更大。裂紋傳播主要發生在經熱處理標本中具有更多孔隙的區域。
圖12. 示意圖，展示通過熱處理實現的微觀結構控制：(a) 沉積狀態標本；(b) 經熱處理標本。
圖13. 室溫下測試的沉積狀態標本的斷口表面(a)，裂紋傳播路徑的示意圖(b)和橫截面視圖(c)；經熱處理標本的斷口表面(d)，裂紋傳播路徑的示意圖(e)和橫截面視圖(f)。
圖14. 在473 K下測試的沉積狀態Al-Zn-Mg-Cu合金的斷口表面(a)和橫截面視圖(b)；經熱處理標本的斷口表面(c)和橫截面視圖(d)。
圖15. 沉積狀態標本(a)和經熱處理標本(b)的透射電子顯微鏡（TEM）的亮場圖；從沉積狀態標本(c)和經熱處理標本(d)的斷口處獲取的電子背散射顯微鏡（EBSD）生成的逆極圖（IPF）和KAM圖，HT表示高溫；(e) 沉積狀態標本和經熱處理標本的KAM分布；(f) 沉積狀態標本和經熱處理標本的晶界錯配角分布。
