盡管與其前身波音777相比，鋁的使用量有所減少（從 50% 下降），但鋁仍然在飛機機身的大多數(shù)前緣以及尾翼和水平穩(wěn)定器中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，采用粉末床熔化或定向能量沉積工藝的增材制造 (AM) 技術(shù)加工鋁合金對于制造傳統(tǒng)和新型飛機部件非常重要。

      根據(jù)德克薩斯大學(xué)的專利，研究人員提出了一種使用增材制造形成無裂紋鋁合金結(jié)構(gòu)的方法。本期谷.專欄，將分享這一科研成果的主要介紹。

鋁合金系列
© 3D科學(xué)谷白皮書

 實現(xiàn)鋁合金產(chǎn)品復(fù)雜形狀

     鋁合金6601（AA6061）是一種可熱處理材料，主要由鋁、硅和鎂組成，并含有少量鐵、銅、鉻、鋅、錳和鈦。該材料的常見應(yīng)用包括制造飛機和汽車部件。傳統(tǒng)上，AA6061 是鑄造然后使用軋制、鍛造或擠壓成型的。該合金通過適當(dāng)?shù)奶畛洳牧咸峁┝肆己玫臋C械加工性能和可焊性，盡管最大抗拉強度降低到退火條件下的抗拉強度，從 210 MPa 的回火強度降低到 120 MPa。

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      然而，傳統(tǒng)的成型技術(shù)，如軋制、鍛造和擠壓，在充分利用高強度重量比、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性（高達 167 W/mK）的理想組合的同時，還沒有完全實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀。也就是說，傳統(tǒng)的成型技術(shù)無法或難以實現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)腔、隨形冷卻和薄壁特征。此外，AA6061 鋁合金的鑄造過程困難，AA6061 易于熱裂。熱裂與合金成分具有確定的相關(guān)性。AA6061屬于Al–Mg–Si–Fe-Ti系。據(jù)報道，在 0.3-0.4% Fe、0.5% Mg、0.5% Si 和 0.15% Ti 時具有接近 AA6061 的最大熱裂敏感性。

 預(yù)熱與工藝控制的配合

       德克薩斯大學(xué)的專利US 20190039183 A1（Method and system for powder bed fusion additive manufacturing of crack-free aluminum alloys）旨在解決這樣的問題，使得制造的部件不表現(xiàn)出開裂并保持相對高的密度。鋁合金粉末包括AA6061、AA2014、AA2017、AA2024、AA2219、AA5083、AA7050、AA7075、AA7150、AA7178或AA7475。該專利通考慮到液態(tài)金屬的表面張力通過驅(qū)動晶界的潤濕性和枝晶間液態(tài)金屬流動來影響凝固裂紋。專利提出了在激光熔化之前和期間使用感應(yīng)加熱來加熱粉末床的方法。粉末床的高溫降低了凝固速率，確保了更一致的凝固以消除熱撕裂。

       由于鋁合金前體粉末已經(jīng)處于高溫狀態(tài)并且需要較少能量來熔化金屬，因此需要較少的激光功率，與不包括加熱粉末床的系統(tǒng)相比，飛濺（即從激光加工區(qū)域噴出的粉末顆粒）的發(fā)生會減少。以這種方式，粉末的使用效率更高，因為它不會被高功率激光濺射和損壞，從而導(dǎo)致粉末浪費。 通過掃描策略、功率調(diào)制和動態(tài)參數(shù)變化提供了更精確地控制粉末/零件溫度的手段。光學(xué)高溫計、紅外成像（IR 攝像機）、熱電偶可單獨或組合使用來監(jiān)測和控制粉末溫度。最好使用多波長高溫計，以消除對溫度讀數(shù)的發(fā)射率依賴性。參數(shù)在空間上變化，以創(chuàng)建特定于材料內(nèi)沉淀物的形成和晶粒形態(tài)的漸變或梯度微結(jié)構(gòu)。

         研究人員還考慮到在 AA6061 和 AA7075 中引入諸如 Zr 等外來顆粒將要求對改性材料進行重新鑒定和認(rèn)證，以用于航空航天和其他關(guān)鍵應(yīng)用。研究人員認(rèn)識到并考慮到通過 Zr 納米顆粒對前體粉末進行功能化需要額外的程序，包括可能會增加加工成本的靜電組裝技術(shù)。最終，使用 LPBF激光粉末床熔化金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)的 AA6061 試樣的光學(xué)顯微鏡 (OM) 表征揭示了良好分散和大尺寸沉淀物的存在。在顯微照片中也明顯的是沒有熔池和熔道，展示了使用具有高溫粉末床加熱的LPBF來無裂紋地制造AA6061。

        3D打印的鋁合金零部件隨后也進行了熱處理，通過在 520°C下T6回火，并以 3°C/min 的速度冷卻至室溫 (25°C)。這種處理產(chǎn)生了約 280 MPa 的屈服強度、約 310 MPa 的極限抗拉強度和 3.5% 的伸長率。雖然屈服值和極限抗拉強度值處于 T6 狀態(tài)的上限，但伸長率低于該狀態(tài)下約 5% 的正常低值。將選區(qū)激光熔化LPBF 金屬3D打印制造的 AA6061 的最終拉伸性能鍛造 AA6061零件進行了比較。LPBF 制造的樣品的屈服強度和極限抗拉強度與鍛造產(chǎn)品的相應(yīng)性能相當(dāng)。然而，在 LPBF 制造的樣品中存在延展性的損失，預(yù)計隨著進一步的參數(shù)優(yōu)化和工藝改進，這種情況會有所改善。

 迅速發(fā)展的鋁合金增材制造研究

 l 確定硬度值穩(wěn)定的最佳溫度

      相關(guān)論文以題目“Design, microstructure and thermal stability of a novel heat-resistant Al-Fe-Ni alloy manufactured by selective laser melting”發(fā)表在《Journal of Alloys and Compounds》上。研究團隊設(shè)計并通過鑄造實驗確定了用于SLM的Al-Fe-Ni合金成分，并對合金的熱穩(wěn)定性進行了進一步的評估。最終確定合金硬度值穩(wěn)定的溫度為300℃，并且經(jīng)長達兩天的熱暴露后硬度值幾乎沒有下降。證明設(shè)計成分的合金在300℃具有較好的熱穩(wěn)定性。隨后的組織分析也證明了，晶粒尺寸和Al9FeNi相的在300℃下的穩(wěn)定是其硬度值保持穩(wěn)定的重要原因。

l 添加成核劑

     來自法國學(xué)者Mathieu Opprecht等人的研究表明，添加一定數(shù)量的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）可以誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，改變3D打印6061鋁合金材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而消除熱裂紋現(xiàn)象，相關(guān)論文發(fā)表在Acta Materialia期刊中。

有兩種方法可以進行晶粒細(xì)化。第一種方法是在打印過程中控制熱應(yīng)力。第二種方法是通過改變合金成分或在基礎(chǔ)粉末中直接添加成核劑來增強異相成核。

法國學(xué)者Mathieu Opprecht等人將不同數(shù)量的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）添加到Al6061基礎(chǔ)粉末中。實驗發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化效果取決于添加的YSZ量。從1％（體積分?jǐn)?shù)）開始，SEM和EBSD圖像顯示出呈雙峰分布的等軸柱狀晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，添加2％（體積分?jǐn)?shù)）的YSZ可以完全避免熔池邊界上的裂紋。

(責(zé)任編輯：admin)

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