高強(qiáng)鋁合金的激光3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

金屬激光3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。其中基于自動鋪粉的激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）主要特點是加工精度高、后續(xù)幾乎不需要機(jī)械加工，可以直接制造各種復(fù)雜精密金屬零件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化、輕量化，在航空航天、生物醫(yī)療制造等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。

目前，SLM技術(shù)所應(yīng)用的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鈷鉻合金和少量強(qiáng)度不高的鋁合金等材料體系。高強(qiáng)鋁合金，作為一種在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)材料，在SLM領(lǐng)域的需求日益旺盛。但是與其他已經(jīng)成功應(yīng)用于SLM的材料相比，高強(qiáng)鋁合金具有較高的導(dǎo)熱率以及對激光較高的反射率，且合金化程度高，結(jié)晶范圍寬，使得其SLM成形存在有很強(qiáng)的熱裂傾向，嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用。

為解決現(xiàn)有SLM成形高強(qiáng)鋁合金材料的熱裂問題，武漢光電國家實驗室激光先進(jìn)制造研究團(tuán)隊的博士生張虎、聶小佳等在朱海紅教授的指導(dǎo)下，從傳統(tǒng)鋁合金材料設(shè)計的角度出發(fā)，通過在SLM成形高強(qiáng)鋁合金中添加微量元素的方法，獲得了致密無裂紋的試樣。在成功抑制熱裂紋的同時，SLM成形效率大幅提升；與原有粗大的柱狀晶顯微組織不同，微量元素改性后的組織為1mm量級的等軸晶；在細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的共同作用下，極限抗拉強(qiáng)度提升12%。

圖 微量元素對SLM成形高強(qiáng)鋁合金裂紋、組織和力學(xué)性能的影響

該研究成果突破了現(xiàn)有SLM技術(shù)成形高強(qiáng)鋁合金的工藝瓶頸，有望加速鋁合金材料在激光3D打印領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。2017年6月，該研究成果“Effect of Zirconium addition on crack, microstructure and mechanical behavior of selective laser melted Al-Cu-Mg alloy”發(fā)表在金屬冶金工程領(lǐng)域期刊Scripta Materialia（IF：3.305，DOI：10.1016/j.scriptamat.2017.02.036）。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持

來源：武漢光電國家實驗室(籌)
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