鋁合金是一種重要的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)鋁合金零件的服役性能和制備過程都提出了更高的要求，傳統(tǒng)減材制造已難以滿足對(duì)鋁合金零件高效敏捷、綠色環(huán)保的制備要求。增材制造作為一種新興的快速成形技術(shù)，為鋁合金零件的制備提供了一個(gè)嶄新的思路。然而，由于增材制造的工藝特點(diǎn)和鋁合金的本征性質(zhì)，通過增材制造技術(shù)制備的中高強(qiáng)鋁合金零件中易形成諸多缺陷，嚴(yán)重?fù)p害其力學(xué)性能，限制其實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。
北京理工大學(xué)程興旺教授團(tuán)隊(duì)綜述了增材制造中高強(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)討論了目前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)展及發(fā)展趨勢，并指出未來改善增材制造中高強(qiáng)鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的努力方向應(yīng)為綜合調(diào)控工藝參數(shù)和合金成分，進(jìn)一步探索增材制造鋁合金的最佳熱處理工藝，從而獲得高強(qiáng)塑性增材制造鋁合金。
增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷
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)。一方面，在激光／電子束增材制造過程中會(huì)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；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，AlSi7Mg0.3，Al-10Ce和Al-Ni合金等。
1. 熱裂紋
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(huì)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)。
2. 孔洞
孔洞的存在也會(huì) 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。
各類孔洞尺寸示意圖：a）匙孔；b）氣孔；c）未熔合缺陷
3. 元素?fù)]發(fā)
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(huì)發(fā)生選擇性蒸發(fā)。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(dòng)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。
4. 氧化現(xiàn)象
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(huì)有0.1%-0.2%的氧氣殘留，這導(dǎo)致在逐層打印過程中會(huì)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(huì)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(huì)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。
增材制造相關(guān)參數(shù)
增材制造常規(guī)的工藝參數(shù)可分為能量相關(guān)工藝參數(shù)和幾何相關(guān)工藝參數(shù)。能量相關(guān)工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、束斑直徑等，與金屬粉末顆粒的逐點(diǎn)熔化有關(guān)，主要保證提供連續(xù)的能量輸入；而幾何相關(guān)工藝參數(shù)包括激光間隔距離、層厚、掃描方式等，體現(xiàn)了各掃描軌道和各層的熔融制造存在一定間隔。由于增材制造逐點(diǎn)、逐道次、逐層的制造特點(diǎn)，故在制造過程中存在本征的層間停留時(shí)間等非常規(guī)工藝參數(shù)，這些增材制造工藝參數(shù)也會(huì)對(duì)成品零件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。
合金成分是關(guān)鍵要素
合金成分決定了溶質(zhì)原子的分布情況和擴(kuò)散過程，而溶質(zhì)原子是產(chǎn)生成分過冷的根本原因，因此合金成分對(duì)晶粒形貌有著決定性作用。在增材制造中高強(qiáng)鋁合金時(shí)，可以通過調(diào)控合金元素含量而優(yōu)化合金成分，也可以通過添加形核劑而引入異質(zhì)形核位點(diǎn)，二者都可以用于改善增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織并提高其力學(xué)性能。
總結(jié)
總而言之，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(duì)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。
值得注意的是，增材制造鋁合金時(shí)Mg、Zn等元素的揮發(fā)會(huì)使合金成分發(fā)生波動(dòng)，在通過調(diào)控合金元素含量或添加形核劑而優(yōu)化晶粒形貌的研究中，合金成分更是發(fā)生明顯改變。此時(shí)，適用于傳統(tǒng)鋁合金的熱處理方法已不再適用于增材制造鋁合金，因此，未來需要進(jìn)一步探索增材制造鋁合金的最佳熱處理工藝，從而獲得高強(qiáng)塑性增材制造鋁合金。
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