作为可沉淀强化的轻质材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比强度、高损伤容限和优异的可加工性能而广泛应用于航空航天领域。然而，由于7xxx系列铝合金存在高热裂和氧化敏感性，激光粉床熔融（LPBF）增材制造或电弧增材制造（WAAM）的快速冷却速率和大热输入可能导致粗晶粒、元素分离和多种缺陷（如裂纹和孔隙），从而损害7xxx系列铝合金的性能。

激光-电弧复合3D打印技术在稳定电弧行为和抑制缺陷方面得到了广泛认可。但现有的单一激光或电弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战。学界对于改善增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的高温机械性能的研究仍然缺乏。

Graphical abstract

为此，大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室马广义教授团队创新性地提出了脉冲激光-电弧复合增材制造技术，相关最新研究成果在国际知名期刊Journal of Materials Science & Technology上发表（封面论文）。该技术采用定域可控的脉冲激光作为热源之一，与热输入较大的电弧复合共同熔化焊丝，通过激光-电弧耦合作用实现Al-Zn-Mg-Cu合金构件的高质量制造。此论文提到的方法为高性能轻质合金制造提供了一种有效的选择。

JMST封面

研究人员开发了形性联合调控的增材与后续热处理工艺，发现了Al-Zn-Mg-Cu合金“成分-相变”联合强化机制：共格纳米析出相剪切强化机制阻碍位错运动。基于热力学和动力学理论，计算了析出相溶解、形核生长临界条件，并探讨高温拉伸后微观组织与力学性能演变机理。复合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金样件的常温抗拉性能>600 MPa，高温抗拉性能>360 MPa，优于单一激光或电弧增材制备的Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu以及Al-Mg合金，能够与常规锻造的7075铝合金相媲美。这些发现为高性能轻质合金制造提供了一种全新的思路。

图1. (a) LAHAM系统；(b) 沉积的Al-Zn-Mg-Cu标本的宏观照片和拉伸标本的尺寸；(c) YOZ平面的表面轮廓。

图2. 在Al-Zn-Mg-Cu合金中的孔隙分析，显示了从XCT重建的形态和分布：沉积状态下的孔隙形态的3D可视化(a)和经热处理标本(b)；沉积状态下等效直径的频率分布(c)和经热处理标本(d)；(e)等效直径的分布。

图3. 沉积状态标本(a)和经热处理标本(b)的反极图（IPF）和极图（PF）；(c)晶粒尺寸分布；(d)晶界错配角百分比。

图4. 沉积状态标本平行于扫描方向的SEM图像(a)和垂直于扫描方向的SEM图像(b)；(c)放大的SEM图像和点扫描结果；(d)对应(b)中的元素分布。

图5. 经过热处理标本的典型SEM图像(a)和高倍放大的SEM图像(b)；(c)在(b)中的对应元素分布；(d)次生相的EDS线扫描；(e)点扫描结果。

图6. 沉积状态的Al-Zn-Mg-Cu合金中不同相的透射电子显微镜（TEM）结果：共晶的HAADF图像和元素分布(a)，η相的TEM图像(b)，高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像(c)，FFT图案(d)，以及η相的EDS映射(e)。

图7. 经过热处理的Al-Zn-Mg-Cu合金中的沉淀特征：BF-TEM图像(a)，HRTEM图像(b)，EDS映射(c)，放大的HRTEM图像(d)，(e)FFT图案和η'沉淀的化学组成。

图8. 沉积状态标本(a)和经热处理标本(b)的微观硬度。

图9. (a) 沉积状态[31]和经热处理标本在室温（RT）和高温（HT）下的工程应力-应变曲线；(b) (a)中对应的平均0.2%屈服强度、抗拉强度和延伸率；(c) 本研究和先前文献中473 K时不同铝合金的0.2%屈服强度和断裂应变总结（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]，经热处理后的锻造Al-Zn-Mg-Cu合金 [46,47]）。

图10. (a) Al-Zn-Mg-Cu合金的相图[49]和相应的沉淀温度范围；(b) 经热处理标本在高温拉伸实验前后的BF-TEM和STEM图像。

图11. (a) 经热处理标本中η'沉淀的HRTEM图像；(b) (a)的对应逆FFT；(c) (a)对应的计算应变图（εxx）；(d) 从(c)中沿箭头方向提取的应变分布；(e) 沉积状态标本中η相的HRTEM图像和FFT图案；(f) (e)虚线框中对应的计算应变图（εxx）；(g) 从(f)中沿箭头方向提取的应变分布。

在这项研究中，调查了激光电弧混合增材制造的Al-7.81Zn-1.46Mg-2.34Cu合金的微观结构与高温机械性能之间的关系，并通过热处理实现了强化。主要结论如下：

(1) XCT结果表明，LAHAM制造的Al-Zn-Mg-Cu标本没有裂纹，但存在内部氢气孔。沉积状态的标本相对密度为99.55%，平均孔等效直径为8.6 μm。经过热处理后，孔隙的体积分数达到了0.78%，孔隙发生了生长。

(2) 经固溶处理和人工时效处理后，沿晶界的连续分布的共晶被破坏。大量的η'沉淀均匀分布在经热处理标本的铝基体中。亚稳态的η'相展现出与基体半一致的界面，并导致应变场，可以增加473 K下的滑移形变抵抗。

(3) 经过热处理的标本在高温下展现出良好的机械性能（0.2%屈服强度：318 ± 16 MPa，抗拉强度：362 ± 20 MPa，延伸率：6.8% ± 0.3%）。473 K下的0.2%屈服强度和抗拉强度分别比沉积状态标本提高了约58%和51%。

(4) 沉积状态的标本呈现脆性断裂，裂纹更倾向于沿着聚集的共晶传播。由于高温下的拉伸加载，一些晶粒倾向于滑移和变形，经过热处理后，塑性变形更大。裂纹传播主要发生在经热处理标本中具有更多孔隙的区域。

图12. 示意图，展示通过热处理实现的微观结构控制：(a) 沉积状态标本；(b) 经热处理标本。

图13. 室温下测试的沉积状态标本的断口表面(a)，裂纹传播路径的示意图(b)和横截面视图(c)；经热处理标本的断口表面(d)，裂纹传播路径的示意图(e)和横截面视图(f)。

图14. 在473 K下测试的沉积状态Al-Zn-Mg-Cu合金的断口表面(a)和横截面视图(b)；经热处理标本的断口表面(c)和横截面视图(d)。

图15. 沉积状态标本(a)和经热处理标本(b)的透射电子显微镜（TEM）的亮场图；从沉积状态标本(c)和经热处理标本(d)的断口处获取的电子背散射显微镜（EBSD）生成的逆极图（IPF）和KAM图，HT表示高温；(e) 沉积状态标本和经热处理标本的KAM分布；(f) 沉积状态标本和经热处理标本的晶界错配角分布。