1. 简介

电子束自由成形制造（EBF³）增材制造技术通过优化工艺参数，成功打印出不可焊接的Al-5Cu薄壁零件。通过后热处理工艺，设计出包含多种纳米结构的理想微观组织，包括纳米级θ”和θ’析出相、堆垛层错区以及Al-Cu-Cd团簇，从而获得兼具高强度与良好塑性的Al-5Cu合金。通过模拟与实验相结合的方法揭示了晶粒形成机制，研究表明EBF³工艺可产生三种晶粒结构：完全等轴晶、完全柱状晶及混合结构。在逐层熔池凝固过程中，宽部分重熔区因其遗传特性有利于等轴晶形成。固溶和时效热处理后，Al-Cu-Cd纳米团簇（直径约2 nm）的生成促进了纳米级堆垛层错区（约11 nm）的形成；同时，这些团簇作为异质形核位点，有效促进了θ’-Al₂Cu相（19-114 nm）的析出，使其与细小的θ”-Al₃Cu析出相（7-37 nm）共存。这种多尺度微观结构（尤其是新发现的纳米级堆垛层错区）激活了多重强化机制，使室温拉伸性能达到抗拉强度~496.5 MPa、屈服强度~435.7 MPa、延伸率~9.6%，优于其他铸态和增材制造的Al-Cu合金。本研究为航空航天和汽车领域直接制造高强度近净形Al-Cu合金部件提供了可行工艺路径。

2. 文章亮点

1. 多尺度纳米结构设计
通过电子束自由成形制造（EBF³）结合后热处理，成功构建了包含纳米级θ”/θ’析出相（7-114 nm）、堆垛层错区（~11 nm）和Al-Cu-Cd团簇（~2 nm）的多尺度微观结构，显著提升了Al-5Cu合金的强度与塑性协同性能。

2. 晶粒遗传机制与工艺优化
揭示了EBF³工艺中部分重熔区（PRZ）的晶粒遗传特性，提出“宽PRZ促进等轴晶形成”的新判据，通过优化工艺参数（如降低扫描速度、提高送丝速度）实现了全等轴晶组织的可控制备。

3. 堆垛层错强化新途径
首次在Al-Cu合金中通过热处理诱导纳米级堆垛层错区（SFZs），结合Cd微合金化促进异质形核，激活了堆垛层错强化机制，使合金室温屈服强度达435.7 MPa，优于现有增材制造Al-Cu合金。

3. 研究背景

Al-Cu合金因其优异的强度-重量比（比强度）和成本效益，被广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，传统铸造方法易导致气孔、热裂及Cu宏观偏析等缺陷，严重影响大型构件的工业化生产质量。增材制造（AM）技术通过逐层堆积与极高冷却速率，可消除宏观偏析并获得细晶组织，但常规金属AM方法（如激光粉末床熔融L-PBF、激光定向能量沉积L-DED和电弧增材制造WAAM）因合金高裂纹敏感性和氢吸收问题，难以制备致密Al-Cu合金零件。为此，本研究提出采用电子束自由成形制造（EBF³）技术——一种在真空环境中以电子束和高能线材为原料的定向能量沉积（DED）工艺，其已证明更适用于高裂纹敏感性不可焊金属的3D打印，并兼具高能效、高生产率和制造大型高性能铝制件的潜力。

Al-Cu合金作为时效硬化材料，其强化主要依赖θ”-Al₃Cu和θ’-Al₂Cu析出相。除常规热处理外，现有强化途径包括：（1）添加Sn、In等微量元素促进异质形核以获得更弥散的细析出相，但强度提升受限于Cu在Al基体中的溶解度；（2）通过微合金化引入高稳定性的S相等析出相以提升高温强度，但室温强化效果有限，且T1-AlCu₂Li相等需预变形引入位错作为形核位点，难以兼容AM工艺；（3）添加增强颗粒虽可提高强度，但会牺牲塑性。因此，传统Al-Cu合金的高强度化通常仅依赖析出相调控。

近期研究发现，堆垛层错（SFs）可强化Al合金，但高堆垛层错能使得SFs常需通过剧烈塑性变形诱发。值得注意的是，有研究表明AM成形的Al-Mg合金原生组织中可自发形成SFs。这种多尺度微观结构（如Al-Cu合金、不锈钢中）已被证实可协同提升强度与塑性，但Al-Cu合金中SFs与多尺度结构的关联研究仍属空白。

本研究通过EBF³技术与后热处理，成功制备出含纳米级θ”/θ’析出相、堆垛层错区（SFZs）及Al-Cu-Cd团簇的多尺度结构Al-5Cu合金。通过工艺优化揭示了晶粒遗传特性主导的成形机制，并阐明纳米级SFZs的强化作用，其室温屈服强度达435.7 MPa，延伸率9.6%，性能优于现有AM Al-Cu合金。该研究为航空航天领域直接制造高强度近净形Al-Cu部件提供了新策略。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过电子束自由成形制造（EBF³）技术结合后热处理工艺，成功制备出具有多尺度纳米结构的高强度Al-5Cu合金。通过优化工艺参数（如降低扫描速度、提高送丝速度），实现了全等轴晶组织的可控制备，并揭示了部分重熔区（PRZ）晶粒遗传特性对微观结构演化的关键影响。热处理后形成的纳米级θ”/θ’析出相（7-114 nm）、堆垛层错区（SFZs，~11 nm）及Al-Cu-Cd团簇（~2 nm）协同作用，激活了析出强化、堆垛层错强化等多重机制，使合金室温拉伸性能达到抗拉强度~496.5 MPa、屈服强度~435.7 MPa、延伸率~9.6%，性能优于其他铸态和增材制造Al-Cu合金。

研究首次在Al-Cu合金中发现热处理诱导的纳米级SFZs，其形成与Cd微合金化促进的Al-Cu-Cd团簇密切相关。这些团簇同时作为θ’相异质形核位点，实现了θ’与θ”相的共存分布。通过模拟与实验相结合的方法，建立了考虑PRZ遗传效应的柱状晶-等轴晶转变（CET）新判据，为增材制造合金的晶粒结构设计提供了理论依据。

该工作不仅为航空航天领域直接制造高强度近净形Al-Cu部件提供了新工艺路径，其提出的多尺度纳米结构设计策略（尤其是堆垛层错强化机制）可拓展至其他铝合金体系，为开发兼具高强高塑性的新型材料提供了重要参考。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119682