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前緣以及尾翼和水平穩定器中發揮著關鍵作用。因此，采用粉末床熔化或定向能量沉積工藝的增材制造 (AM) 技術加工鋁合金對于制造傳統和新型飛機部件非常重要。

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

鋁合金系列
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 實現鋁合金產品復雜形狀

     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。該材料的常見應用包括制造飛機和汽車部件。傳統上，AA6061 是鑄造然后使用軋制、鍛造或擠壓成型的。該合金通過適當的填充材料提供了良好的機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，傳統的成型技術，如軋制、鍛造和擠壓，在充分利用高強度重量比、耐腐蝕性和導熱性（高達 167 W/mK）的理想組合的同時，還沒有完全實現復雜的幾何形狀。也就是說，傳統的成型技術無法或難以實現復雜的內腔、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性。AA6061屬于Al–Mg–Si–Fe-Ti系。據報道，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。

 預熱與工藝控制的配合

       德克薩斯大學的專利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金屬的表面張力通過驅動晶界的潤濕性和枝晶間液態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處于高溫狀態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相比，飛濺（即從激光加工區域噴出的粉末顆粒）的發生會減少。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，從而導致粉末浪費。 通過掃描策略、功率調制和動態參數變化提供了更精確地控制粉末/零件溫度的手段。光學高溫計、紅外成像（IR 攝像機）、熱電偶可單獨或組合使用來監測和控制粉末溫度。最好使用多波長高溫計，以消除對溫度讀數的發射率依賴性。參數在空間上變化，以創建特定于材料內沉淀物的形成和晶粒形態的漸變或梯度微結構。

         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證，以用于航空航天和其他關鍵應用。研究人員認識到并考慮到通過 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。最終，使用 LPBF激光粉末床熔化金屬3D打印技術生產的 AA6061 試樣的光學顯微鏡 (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 狀態的上限，但伸長率低于該狀態下約 5% 的正常低值。將選區激光熔化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品的相應性能相當。然而，在 LPBF 制造的樣品中存在延展性的損失，預計隨著進一步的參數優化和工藝改進，這種情況會有所改善。

 迅速發展的鋁合金增材制造研究

 l 確定硬度值穩定的最佳溫度

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

l 添加成核劑

     來自法國學者Mathieu Opprecht等人的研究表明，添加一定數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）可以誘導晶粒細化，改變3D打印6061鋁合金材料的微觀結構，從而消除熱裂紋現象，相關論文發表在Acta Materialia期刊中。

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

法國學者Mathieu Opprecht等人將不同數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）添加到Al6061基礎粉末中。實驗發現，晶粒細化效果取決于添加的YSZ量。從1％（體積分數）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構。結果表明，添加2％（體積分數）的YSZ可以完全避免熔池邊界上的裂紋。

(責任編輯：admin)

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