高強(qiáng)高韌3D打印鋁合金Al250C的性能及殘余應(yīng)力影響分析

Al250C 材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定達(dá)到570MPa以上，延伸率穩(wěn)定達(dá)到12%以上，制備的航空零部件通過(guò)了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。

Al250C的強(qiáng)度接近常用AlSi10Mg系鋁合金材料強(qiáng)度的2倍。特別指出的是，Al250C表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫使用壽命，對(duì)比目前適用于金屬3D打印的Scalmalloy 鋁合金，其在250℃時(shí)的使用壽命僅為100小時(shí)，而Al250C在同樣溫度下的使用壽命超過(guò)5000小時(shí)，極大提高了使用壽命。

澳大利亞工程院吳鑫華院士表示：高強(qiáng)度3D打印鋁合金在航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)航天器減重以及縮短交付周期，從而降低綜合生產(chǎn)成本、提升綜合效益。高強(qiáng)度3D打印鋁合金可使航天器零件減重20-90%不等，加工周期縮短3-12個(gè)月不等。典型應(yīng)用包括：衛(wèi)星射頻陣列天線支架，耦合震動(dòng)阻尼器，空間站中多種支架構(gòu)件如：導(dǎo)軌支架、測(cè)控天線支架。

除了在實(shí)現(xiàn)輕量化、提高綜合效益等方面的優(yōu)勢(shì)，Al250C材料還因其耐高溫、高強(qiáng)度特點(diǎn)，適合開發(fā)熱管理部件，如航空高效熱交換器。一方面在相同的耐壓條件下，可實(shí)現(xiàn)與常規(guī)AlSi10Mg鋁合金相比更薄的壁厚，更輕的重量，并實(shí)現(xiàn)更好的換熱效果；另一方面可取代原中溫環(huán)境下使用的低傳熱系數(shù)材料鈦合金和不銹鋼，實(shí)現(xiàn)減重、高效傳熱雙重提升。

但是，在 SLM 過(guò)程中不斷重復(fù)的融化和凝固過(guò)程導(dǎo)致殘余應(yīng)力的出現(xiàn)，殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致幾何變形、內(nèi)部裂紋及零件在交變載荷或腐蝕環(huán)境下過(guò)早失效等各種問(wèn)題．

利用 SLM 技術(shù)基于不同打印方向制造 Al250C鋁合金，然后用小孔法測(cè)量 3D 打印樣品的殘余應(yīng)力，再利用各向異性材料的殘余應(yīng)力分析模型，使用有限元方法根據(jù)材料的各向異性參數(shù)計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)，最后分析不同的打印方向和材料各向異性對(duì)殘余應(yīng)力的影響．

從圖 4 可見：對(duì)于打印方向?yàn)?0 o 的樣品，接近樣品表面的殘余應(yīng)力為 35 MPa 左右的拉升應(yīng)力；隨著深度的增加，應(yīng)力在 100 μm 深度處增加至最大值 75 MPa，然后其值幾乎保持不變直至 600μm 的深度，表明應(yīng)力的分布相對(duì)比較均勻．

從圖 5 可見，對(duì)于所有樣品，B 點(diǎn)的殘余應(yīng)力結(jié)果和 A 點(diǎn)的接近，從而驗(yàn)證了測(cè)試的可重復(fù)性及可靠性．

從圖 6 可以看到：在各向異性和各向同性情況下存在明顯的差別，這不僅體現(xiàn)在應(yīng)力值方面，而且在變化趨勢(shì)方面的差別也很明顯；各向異性材料的表面殘余應(yīng)力為壓縮殘余應(yīng)力，而各向同性材料的表面殘余應(yīng)力為拉升殘余應(yīng)力.

1、打印方向影響殘余應(yīng)力的值．0 o 打印方向樣品的表面殘余應(yīng)力為拉升殘余應(yīng)力，對(duì)于其它打印方向樣品的表面殘余應(yīng)力為壓縮殘余應(yīng)力．

2、利用各向異性和各向同性系數(shù)得到的殘余應(yīng)力有明顯的差別，不光在應(yīng)力值上，還在趨勢(shì)上觀察很大的差別．這也表示選擇各向異性參數(shù)對(duì)分析和測(cè)量 3D 打印樣品殘余應(yīng)力的重要性．

《打印角度對(duì)SLM增材制造Al250C鋁合金的殘余應(yīng)力影響分析》

中圖分類號(hào)：TG146. 21