綜述：LPBF打印鋁合金微觀結構和力學性能控制策略的最新進展

來源:長三角G60激光聯(lián)盟

燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室、中國兵器工業(yè)集團航空彈藥研究所、阿爾泰國立技術大學及哈爾濱工業(yè)大學的科研人員報道了LPBF打印鋁合金微觀結構和力學性能控制策略的最新進展研究。相關研究成果以“Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys”為題發(fā)表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

激光粉末床熔融（LPBF）是一種成型精度高、可打印復雜的金屬構件的快速成型技術，可應用于航空航天領域。與其他金屬材料相比，采用LPBF技術制造的鋁合金零件由于材料和結構的結合，能更好地實現(xiàn)輕質結構。然而，在LPBF工藝過程中，打印部件內部容易形成球化、孔隙、粗晶粒和裂紋等許多冶金缺陷，導致鋁合金性能下降。為了解決上述問題，研究人員對改善LPBF制成的鋁合金零件的力學性能進行了深入探索。本文從微觀結構和性能的調控策略兩個方向探討了提高鋁合金成形質量的方法。從工藝參數優(yōu)化、合金元素改性、強化相添加和后處理等方面探討了LPBF加工鋁合金的研究現(xiàn)狀。此外，還對LPBF加工鋁合金的微觀結構和性能進行了系統(tǒng)綜述。

圖1.LPBF在制備鋁合金復合結構中的典型應用。

圖2.不同能量密度（a）、激光功率（b）和掃描速度（c）下樣品的密度。(d) 凝固示意圖。(e)不同工藝參數下獲得的三種單軌。(f)不同工藝參數下單軌的表面形貌。

圖3.LPBF使用的不同掃描策略示意圖。

圖4.LPBF成形后AlSi10Mg的三維示意圖、OM、SEM 和 EBSD 逆極圖（IPF）a成形0°、b 成形45°、c成形90°。

圖5.a-c Ar、d-f N2、g-i He下制造的Al-12Si樣品的OM圖像和斷口形貌。j-l不同氣氛下制造的Al-12Si樣品的相對密度、硬度和拉伸性能。

圖6.常見的光束整形方法。

圖7.a-d Zr改性前后的AA6061粉末；凝固示意圖；f添加Zr前后AA7075鋁合金的凝固行為；g Zr改性后AA7075的應變行為。h AA2024、i Zr-AA2024、j AA6061、k Zr-AA6061的 EBSD取向圖和相應的極圖。

圖8.LPBF制備的a,b AlSi10Mg/10SiC;c, d Al-Fe-Ni/TiB2;e, f Al-Si-Mg-Ti/TiC的晶粒形貌和力學性能。

圖9.a經過噴丸強化處理和未經過噴丸強化處理樣品的維氏硬度曲線。b,c經過噴丸強化處理和未經過強化處理樣品的EBSD橫向橢圓極圖。d-g經過噴丸強化處理和未經過噴丸強化處理樣品斷裂表面的橫截面圖。h, i經過噴丸強化處理和未經過噴丸強化處理樣品的 SEM圖像。

研究人員在工作中發(fā)現(xiàn)了幾種主要方法來改進LPBF AM制造鋁合金部件。通過調節(jié)合金元素和添加強化相，在鋁合金基體中形成具有較高體積分數和彌散分布的強化相。通過各種第二相之間的相互作用，進一步提高了鋁合金對LPBF的適應性。通過選擇適當的工藝參數，可以抑制球化、孔隙和裂紋缺陷的形成。通過后處理工藝，改變了鋁合金的微觀結構，提高了鋁合金部件的力學性能，釋放了制造過程中產生的部分殘余應力，改善了LPBF制備的鋁合金的工作性能和使用壽命。然而，LPBF鋁合金的開發(fā)仍面臨一些關鍵挑戰(zhàn)：
1. LPBF過程中熔池的溫度變化是一個復雜的過程，也是影響鋁合金LPBF成形質量的決定性因素。溫度場與成形質量之間的關系尚未得到明確探討，因此有必要系統(tǒng)研究LPBF過程中熔池的非平衡冶金過程。未來的研究應重點開發(fā)先進的數值模擬技術和實時監(jiān)測方法，來精確控制和優(yōu)化熔池內的溫度分布，從而改善材料的最終性能。

2.LPBF的生產效率較低。如果要提高生產效率，就會影響成型的質量和精度，因此需要有效的手段來解決二者之間的矛盾。用LPBF制作的鋁合金部件難以直接應用于工程，生產工藝有待進一步優(yōu)化。未來的研究可以重點關注提高激光掃描速度和粉末利用率的方法，同時開發(fā)新的工藝，在不影響質量的前提下提高生產效率。

3.目前，鋁合金中各種第二相的優(yōu)化機理尚未得到明確解釋，因此有必要建立不同的強化機理和強度提升理論模型，以進一步揭示鋁合金的協(xié)同強化和增韌機理。未來的挑戰(zhàn)包括更深入地了解微觀結構與宏觀性能之間的關系，以及如何通過控制第二相的分布和形態(tài)實現(xiàn)最佳性能。這需要跨學科合作，開發(fā)更具預測性和指導性的模型，以支持高性能鋁合金的設計和制造。

此外，未來的研究還應關注LPBF技術在更廣泛工業(yè)應用領域的可擴展性，包括汽車、航空航天和生物醫(yī)學領域。研究人員應探索材料設計和工藝創(chuàng)新如何克服當前的技術瓶頸，推動 LPBF技術的廣泛工業(yè)化。


論文鏈接：

Wang, H., Wang, X., Zou, J. et al. Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys. Int J Adv Manuf Technol 134, 4015–4039 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14395-w