鋁合金3D打印新突破

作者： 劉哲峰 李滌塵

近日，中科大研究團隊報道了其在鋁合金3D打印技術(shù)方面的最新成果，科研人員在對以SLM工藝制備的鋁合金樣件進行T6 熱處理后，發(fā)現(xiàn)鋁合金的延展性得到了明顯提高。通過SLM工藝制得AlSi10Mg鋁合金樣件，隨后進行T6熱處理，主要包括在535oC下對樣件做固溶處理及158oC下的人工時效處理（10小時），進而對鋁合金樣件進行力學性能測試和微觀組織觀測分析。圖1展示了SLM工藝制備鋁合金樣品過程。

圖1 SLM工藝過程示意圖    (a) 操作參數(shù)；(b) 掃描方式；(c) 拉伸、彎曲樣品示意圖

圖2彎曲斷口微觀形貌圖

(a) 斷口SEM照片；(b) 凹坑分布；(c) 高倍數(shù)SEM照片；(d) 氧化區(qū)SEM照片；(e) 背散射電子圖像；(f)斷口形貌。

相比于鋼或鈦合金，鋁合金在采用SLM制備過程中面臨三方面的挑戰(zhàn)， (a)鋁粉對于激光束的高反射率 (b) 高的熱傳導, (c) 鋁元素相對活潑，極易在表面形成一層氧化膜。比如，本研究中所使用的AlSi10Mg 鑄件的熱傳導率就達到113 W/m K，高的熱傳導率帶來的主要麻煩是，由于金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冷卻非�？欤瑢е履�固后的金屬內(nèi)部有較高的殘余應(yīng)力，從而導致鑄件產(chǎn)生內(nèi)裂紋而嚴重影響其服役性能。因此人們針對如何提高SLM工藝鋁合金的拉伸率、硬度、抗拉強度、疲勞強度方面展開了大量研究。并發(fā)現(xiàn)SLM制備AlSi10Mg合金在強度、硬度方面明顯超過其他合金，但延展性比較差。并最終通過前文提到的T6熱處理能夠明顯提高AL合金的延展率，從而為該類型鋁合金走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了工藝指導。


測試結(jié)果表明：熱處理前后鋁合金樣品的致密度變化不大，拉伸強度和彎曲強度有少許下降，降低量分別為19.97％（從 334 MPa 降低到 267.3 MPa）和6.1％，硬度下降了大約20%。但鋁合金延展性得到顯著提升，其中伸長率提高155％ （從3.64% 提升到 9.28%），斷裂撓度增加122.9％，表現(xiàn)出了鋁合金較好的綜合力學性能。這將使3D打印鋁合金件具有更廣泛的應(yīng)用價值。圖2分別展示了測試樣品拉伸斷面和彎曲斷面的微觀形貌。該成果使3D打印技術(shù)在鋁合金制備方面提供了更多的應(yīng)用機會。

參考文獻
L.F. Wang, J. Sun, X.L. Yu, Y. Shi, X.G. Zhu, L.Y. Cheng, H.H. Liang, B. Yan, L.J. Guo, Enhancement in mechanical properties of selectively laser-melted AlSi10Mg aluminum alloys by T6-like heat treatment, Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 734 (2018) 299-310.

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室