TEM案例分享-具有骨架结构的耐热Al-La-Mg-Mn合金

       铝合金比强度高，耐腐蚀性好，广泛作用结构材料。激光粉末床熔合(LPBF)作为一种先进的增材制造技术，其快速凝固的特性可以赋予铝合金细晶结构。常温下细晶结构是可以提高合金强度，但是高温下晶界容易滑动，反而成了薄弱之处。为了解决这个问题，可以引入第二相来产生沉淀强化，不过控制好第二相的体积分数和形态很重要。

       总所周知，晶界是连续三维结构的。为了抑制晶界的软化，本研究通过LPBF在Al-11.5La-5.5Mg-0.6Mn (wt.%) 合金中设计了一个包裹在高Mg含量铝基体内的跨晶粒三维网络金属间化合物。这种独特的结构主要在高温下提供了一种有效的“边界强化机制”。

       本论文采用了XRD、SEM、TEM和TKD来对合金微观结构进行表征。

       下图图a的XRD结果表明合金的相组成为α-Al相+Al₁₁La₃相。通过分析可以发现α-Al相的晶面间距与纯铝的相比要更低，表明高Mg含量导致了晶格膨胀。图b是SEM的背散射电子图像，可以看见鱼鳞状图案，其中黑色部分是α-Al基体，白色则为Al₁₁La₃。从图b的熔池边缘（黄框）和熔池内部（红框）位置放大，如图c、d，可以看到不一样的组织形貌，在熔池边缘处的金属间化合物呈颗粒状，在内部的则呈网状。用TEM进一步表征网状结构，如图e，可以发现网状的金属间化合物有很高的连续性。通过图f的TKD表征，我们看到一红一蓝两种不同取向的α-Al，而灰色的则为金属间化合物，可以看出金属间化合物网络是穿过晶粒的，基本形成了结构骨架。

       样品经过腐蚀后拍摄二次电子SEM照片能生动直观看出这种骨架网络，如下图图a。经过TEM放大后可以发现金属间化合物骨架内存在致密的纳米级析出相Al₆Mn。这些骨架+纳米析出结构的形成与凝固过程的成分偏析有关。

       该合金经过测试，在高温下表现出优异的拉伸力学性能，而热稳定的3D网络骨架在其中发挥着不可或缺的作用。就像下图图c示意图，合金的骨架结构是连续且穿越晶粒的，我们知道在高温下，晶界会成为薄弱环节，而这种骨架的存在抑制了晶界滑动带来的影响，同时晶界对位错的阻碍作用仍生效，如图b，KAM图反映了晶界处的位错堆积现象。

经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：

█ 这项研究通过LPBF制备了耐热Al-La-Mg – Mn合金，在200°C和300°C下表现出出色的强度。

█  该LPBF合金的主要特征是高过饱和Mg的α-Al基体，其中含有跨越晶粒的Mn掺杂3D网络金属间骨架作为增强结构。

█ 这种创新的结构从根本上改变了传统的晶界结构铝合金，使晶界不那么显著，同时有效地阻碍位错运动并承受增加的传递载荷，从而在高温下实现高强度。这些进步为开发具有成本效益的耐热合金带来了巨大的希望，并为3D金属间结构合金提供了有价值的见解。