增材制造（AM）是近年来快速发展的高级制造技术之一[1],[2]。与传统减材制造方法不同，增材制造通过逐层沉积材料直接构建三维物体。它可以生产复杂形状的零件，减少浪费，并加速产品开发。增材制造技术广泛应用于航空航天、汽车、生物医学、能源和消费电子等多个领域[3]。特别是航空航天领域，由于其轻量化设计和材料效率的优势，已将AM视为生产关键结构部件的重要技术[4]。激光粉末床熔融（LPBF）是最广泛使用的金属增材制造技术之一。它利用高能量密度的激光束逐层熔化并固化金属粉末，从而形成复杂的三维固体结构[5]。LPBF已用于制造多种合金，包括铝合金[6]、钛合金[7]、镍基合金[8]和铁基合金[9],[10]。通过LPBF制备的合金通常具有高尺寸精度、低表面粗糙度和优异的机械性能。
铝合金在航空航天工业中得到广泛应用，因为它们重量轻、比强度高且耐腐蚀性好。它们常用于制造飞机机身、机翼和其他关键结构部件[11],[12],[13]。LPBF工艺具有高度的设计灵活性、接近净形的制造能力、高效的生产过程和高材料利用率，为制备高性能的铝合金提供了新的机会[14]。含共晶或接近共晶成分的Al-Si合金[15]是增材制造中最常用的铝合金。通过LPBF处理，这些合金可以生产出致密且无裂纹的部件，但其相对较低的机械性能（拉伸强度通常低于400 MPa）往往无法满足航空航天领域的高强度要求[16]。对于常见的锻造铝合金系统（如2xxx[17]和7xxx[18],[19]），其宽的凝固范围使得它们不适合LPBF工艺[20],[21]。在快速凝固过程中容易发生热裂纹，从而缩小了加工窗口。为了降低LPBF铝合金的裂纹敏感性，用Sc和Zr进行微合金化已成为当前LPBF铝合金研究的热点[22]。空客集团开发的Scalmalloy®合金经过Sc和Zr改性后，在LPBF制造和热处理后表现出优异的成形性和机械性能。经过325 °C下4小时的简单时效处理后，该合金的拉伸强度超过500 MPa，塑性优异（伸长率大于10%），并在航空航天工业中得到广泛应用[23],[24]。这种优异的性能归因于Al3Sc或Al3(Sc, Zr)相作为异质形核位点的存在，这些相有助于将粗大的柱状晶粒转变为等轴晶粒。这些相与基体具有较高的相干性，晶格失配度低，从而提供了良好的热稳定性[25],[26]。微观结构呈现出典型的等轴晶粒和柱状晶粒的双模结构[27]，与Al-Si合金系统相比，具有更好的机械性能和更低的各向异性。
近年来，随着航空航天行业对轻量化和高性能材料需求的不断增加，Sc/Zr改性的3xxx耐热铝合金（Al-Mn-Mg-Sc-Zr系列）成为研究热点。Jia等人[28]成功开发了一种新型高强度铝合金（Al-4.52Mn-1.32Mg-0.79Sc-0.74Zr-0.05Si-0.07Fe），并在制备过程中实现了完全致密的微观结构。该材料通过固溶强化、沉淀硬化和晶粒细化等协同强化机制，表现出560 MPa的屈服强度，同时保持了优异的热稳定性。Yang等人[29]使用L-PBF制备了Al-4.83Mn-1.45Mg-0.68Sc-0.29Zr合金，在300 °C下时效6小时后，通过Al6Mn和Al3Sc的双相强化以及消除晶界处的Mg偏析，实现了高强度（极限拉伸强度为528 MPa）和良好的延展性（伸长率为14.5%）。与Al-Mg-Sc-Zr体系相比，Mn的引入不仅部分替代了Mg提供了固溶强化，还有助于在LPBF工艺固有的快速凝固过程中形成Al6Mn相，这些相与Al3(Sc,Zr)沉淀物协同作用，细化晶粒并提高了合金的强度和热稳定性。在马朗戈尼对流的影响下，Al6Mn和Al3(Sc,Zr)相在熔池底部积累，成为有效的异质形核位点，有效细化了晶粒结构。因此，Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金相比Al-Mg-Sc-Zr合金具有更细的等轴晶粒，并通过协同强化机制提高了机械性能[30],[31],[32],[33]。然而，作为一种逐层制造工艺，LPBF具有较高的温度梯度，这导致熔池中心形成与建造方向平行的柱状晶粒，而底部形成细小的等轴晶粒。这种双模异质结构导致不同建造方向上的微观结构和机械性能存在显著差异[34],[35],[36]。Xu等人[37]研究了热处理对选择性激光熔化的AlSi10Mg合金机械各向异性的影响，发现T6热处理显著降低了各向异性并改善了强度和延展性的平衡。Schliephake等人[38]研究了不同建造方向下LPBF制备的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的高温压缩行为，发现该合金在不同加载方向下表现出各向同性。目前，很少有研究关注不同建造方向下LPBF制备的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的室温拉伸性能，以及双模微观结构和多尺度沉淀物之间的相互作用对机械性能的影响机制尚不清楚。此外，对于Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金，热处理后析出的Al6Mn相的粗化可能导致机械响应的差异[39]。这种各向异性可能导致不同方向上的强度、韧性和延展性存在显著差异，从而影响结构部件的使用安全性和工程应用中的材料可靠性与性能稳定性。因此，研究LPBF形成的铝合金独特的双模异质结构和多尺度沉淀物对其机械性能的影响对于工程应用至关重要。
在这项工作中，开发了一种Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金，其成分设计旨在结合Mn/Mg的固溶强化和Al6Mn及Al3(Sc,Zr)相的沉淀强化，这种策略在先前的研究中已被证明能有效实现LPBF制备铝合金的高强度-延展性协同效应[28],[40]。在此成分窗口内制备的气雾化粉末的标称组成为Al-5.15Mn-1.07Mg-0.72Sc-0.36Zr（重量百分比），以下简称研究合金。基于这种合金设计，我们系统地研究了等轴/柱状双模异质结构和多尺度沉淀物如何影响这种高强度铝合金的机械性能。通过对不同建造方向上的试样进行多尺度微观结构分析，揭示了分层双模结构和沉淀物在控制机械性能中的作用。此外，提出了一种基于工艺的控制机械各向异性的策略，使得研究合金在不同建造方向上具有近乎各向同性的机械性能，为高性能各向同性铝合金的设计提供了理论基础。
