增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷與力學(xué)性能研究進(jìn)展

鋁合金因具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，一直作為最重要的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、等國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。如今這些行業(yè)的快速發(fā)展不僅要求鋁金合具有優(yōu)良的服役性能，對其制備過程也提出了越來越高的要求。

本文總結(jié)了增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中的缺陷類型及其成因，并從優(yōu)化工藝參數(shù)、合金成分和添加形核劑三個(gè)方面，重點(diǎn)討論消除增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中缺陷，改善其力學(xué)性能的進(jìn)展和發(fā)展趨勢。

目前，增材制造中高強(qiáng)鋁合金仍然存在一些不可忽略的問題和挑戰(zhàn)。

表１為各類增材制造技術(shù)及其特點(diǎn)

一方面，在激光／電子束增材制造過程中會引入很大的溫度梯度和凝固速率，這將導(dǎo)致極高的冷卻速率，因此容易形成柱狀晶晶粒形貌，如圖１所示；另一方面，由于中高強(qiáng)鋁合金的某些本征性質(zhì)，通過增材制造技術(shù)制備時(shí)容易形成各類缺陷而損害其性能。目前可用于增材制造的鋁合金還局限于近共晶成分鋁合金，如AlSi10Mg，AlSi12，Al-Ni合金等。

鋁合金在增材制造過程中表現(xiàn)出極高的熱裂紋敏感性，其中以凝固裂紋問題最為嚴(yán)重。熱裂紋往往會沿著粗大柱狀晶之間的晶界開裂，并貫穿于多層打印層之間，嚴(yán)重?fù)p害其機(jī)械強(qiáng)度、疲勞壽命和斷裂韌度。鋁合金極高的熱裂紋傾向性主要與本征性質(zhì)有關(guān)。

孔洞的存在也會降低材料的致密度而損害其性能。中高強(qiáng)鋁合金在增材制造過程中易形成匙孔、氣孔和未熔合缺陷。

孔洞特征為：

（１）匙孔：大型不規(guī)則孔洞-圖３（ａ）

（２）氣孔：球形孔洞-圖３（ｂ）-氣泡是增材制造金屬中最普遍的孔洞類型。

（３）未熔合缺陷：小型不規(guī)則孔洞-圖３（ｃ）

增材制造過程中的激光能量較高，若合金中某些元素的沸點(diǎn)低于合金母材沸點(diǎn)，則可能會發(fā)生選擇性蒸發(fā)。表２為ＳＬＭ增材制造鋁合金的化學(xué)成分。鋁合金粉末中的Mg，Zn等元素在較高激光功率熔融時(shí)易揮發(fā)，合金成分易發(fā)生波動而引起成分變化，這將改變材料的凝固組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性等。

由于氧化鋁的熱力學(xué)穩(wěn)定性較高，鋁合金粉末表面極易產(chǎn)生氧化膜。盡管增材制造過程中不斷充入惰性氣體，但真空腔室中仍會有0.1%-0.2%的氧氣殘留，這導(dǎo)致在逐層打印過程中會發(fā)生氧化現(xiàn)象。一方面，增材制造過程中的氧化現(xiàn)象會顯著降低增材制造鋁合金的零件質(zhì)量；另一方面，打印層之間的氧化會導(dǎo)致下一打印層中的合金粉末顆粒團(tuán)聚，使粉末分布不均勻，嚴(yán)重?fù)p害零件的結(jié)構(gòu)完整性和精度。因此，抑制氧化膜的形成不僅可以提高增材制造鋁合金零件的質(zhì)量，還可以有效改善其力學(xué)性能。

增材制造金屬零件中普遍存在孔洞缺陷，這種缺陷是難以避免的，即使后續(xù)進(jìn)行熱處理（如應(yīng)力釋放、退火和熱等靜壓等）和表面處理也很難將其完全消除。然而，增材制造金屬零件中的熱裂紋是可以消除的。

優(yōu)化工藝參數(shù)，是通過調(diào)控合金凝固時(shí)的冷卻速度和溫度梯度，控制柱狀晶的生長，減少熱應(yīng)力的逐層累積，最終達(dá)到消除增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中的熱裂紋的目的。

優(yōu)化合金成分可以通過調(diào)控合金中Si，Ni等元素的含量，提高共晶相的含量，并縮小合金凝固時(shí)的溫度范圍，從而改善合金的流動性并抑制合金的熱膨脹；也以通過調(diào)控合金中Zr，Sc等元素的含量，提高鋁合金凝固時(shí)的成分過冷度，從而提高凝固形核率而細(xì)化晶粒形貌，最終達(dá)到抑制熱裂紋的萌生。

添加形核劑引入異質(zhì)形核位點(diǎn)可以促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，利用等軸晶粒比柱狀晶更易旋轉(zhuǎn)和變形、更能承受高熱應(yīng)力的特點(diǎn)而減弱熱裂紋傾向性，并削弱成品零件的各向異性。目前研究普遍采用在中高強(qiáng)鋁合金粉末中引入含Zr，Sc或Ti元素的形核劑，從而增加形核位點(diǎn)。

工藝參數(shù)和合金成分是影響增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的兩個(gè)關(guān)鍵性因素，二者相互影響、相互依存，均通過控制熱作用和溶質(zhì)再分配作用而影響增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能。然而，當(dāng)前有關(guān)增材制造中高強(qiáng)鋁合金的研究中，針對工藝參數(shù)和合金成分的優(yōu)化探索較為分裂，在未來，需要將二者相結(jié)合、相配合，以綜合改善增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能。

CHENG FENG

CHENG FENG

流動性（S/50g）：實(shí)測 75.95

松裝密度（g/cm3）：實(shí)測 1.36

SLM成型性能：抗拉強(qiáng)度- 560Mpa；屈服強(qiáng)度- 530Mpa；延伸率- 10%

【增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷與力學(xué)性能研究進(jìn)展】

文章編號：1001-4381（2023）03-0029-10