綜述：SLM制造鋁合金的顯微組織和性能（一）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

本文綜述了增材制造Al合金的現(xiàn)狀，主要放在顯微組織表征以及機(jī)械性能上。在AM制造鋁合金時(shí)存在的顯微組織和缺陷的形成從冶金學(xué)的角度進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)發(fā)展的高性能鋁合金也進(jìn)行了討論。

1. 背景介紹
經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前最為引人矚目和在先進(jìn)制造中得到快速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)在金屬制造得到了非常顯著的關(guān)注，得益于該技術(shù)可以克服許多傳統(tǒng)制造技術(shù)所面臨的缺陷，例如，非常容易進(jìn)行制造復(fù)雜形狀、個(gè)性化定制的結(jié)構(gòu)和在保證強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化的要求。該技術(shù)在本質(zhì)上顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，如鑄造、鍛造、擠壓和機(jī)加工等技術(shù)，這些制造手段均可以采用層層堆積的制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)之為打印金屬，點(diǎn)點(diǎn)打印、層層堆積。該技術(shù)使得在制造復(fù)雜形狀的部件是具有無(wú)與倫比的自由度，可以采用非傳統(tǒng)的制造技術(shù)，不需要額外的機(jī)加工就可以實(shí)現(xiàn)高精度和控制。另外一個(gè)比較顯著的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和制造新的部件的時(shí)候只需要很少的時(shí)間就可以投向市場(chǎng)。并且用戶(hù)的要求可以更快的到滿(mǎn)足，同時(shí)在制造過(guò)程中還可以實(shí)現(xiàn)材料浪費(fèi)的減少。這些優(yōu)點(diǎn)，需要同AM技術(shù)本身的缺點(diǎn)來(lái)進(jìn)行平衡，包括AM系統(tǒng)的成本、制造時(shí)間長(zhǎng)、復(fù)雜和昂貴的粉末原材料等。

▲圖0 AM制造時(shí)所存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)

在金屬AM制造技術(shù)當(dāng)中，SLM是一種非常重要的制造手段，該技術(shù)使用一種高強(qiáng)能量源（通常為激光束、電子束、等離子體或電�。﹣�(lái)選擇性的熔化預(yù)制的粉末層。大多數(shù)的金屬AM制造技術(shù)主要聚焦于高溫應(yīng)用的材料，如 Ti-6Al-4V、TiAl、Inconel 625/718和CoCr合金，并且這些合金在真實(shí)的世界得到了應(yīng)用。在過(guò)去的5年里，關(guān)于鋼的增材制造開(kāi)始多了起來(lái)，包括不銹鋼（奧氏體、馬氏體析出硬化鋼）、低碳鋼和工具鋼等。比較起來(lái)，探索AM技術(shù)制造Al合金就比較少一些。比較重要的是，可打印的鋁合金目前仍然限制在近共晶Al-Si合金上，如 AlSi7Mg、AlSi10Mg和AlSi12Mg，這是因?yàn)檫@類(lèi)合金的凝固范圍比較窄。
為了將AM技術(shù)能夠在工業(yè)領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用，非常有必要為最終應(yīng)用目標(biāo)提供具有理想性能的部件，同時(shí)保持制造的成本具有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，非常有必要通過(guò)對(duì)不同時(shí)間尺度和長(zhǎng)度尺度上的多個(gè)化學(xué)和物理現(xiàn)象進(jìn)行深入理解（見(jiàn)下圖1）。一個(gè)非常重要的考慮在于，當(dāng)激光束輻照金屬粉末的時(shí)候，物質(zhì)的幾乎所有的四種狀態(tài)（即固體、液體、氣體和等離子體）均會(huì)同時(shí)存在，這使得材料的相互作用顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的加工。進(jìn)一步的，快速的熱循環(huán)使得制造過(guò)程中存在尖銳的熱溫度梯度和可能的非穩(wěn)態(tài)的物理和化學(xué)狀態(tài)的存在，由此使得產(chǎn)生不理想的冶金缺陷。這在AM制造Al合金的時(shí)候是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，并且成為鋁合金制造應(yīng)用的一大障礙，使得目前的AM制造鋁合金仍然限制在非常少數(shù)的合金體系上。

▲圖1 SLM制造時(shí)的示意圖及其相伴隨的多個(gè)物理和化學(xué)現(xiàn)象，顯示出激光-粉末的相互作用、凝固和固態(tài)相變的各種現(xiàn)象

本綜述提供了各種不同的Al合金采用SLM技術(shù)進(jìn)行制備的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)了在過(guò)去5年所取得了進(jìn)展。綜述主要集中在基于化學(xué)成分的基礎(chǔ)上的顯微組織的變化，尤其是同傳統(tǒng)制造技術(shù)相比的快速凝固以及相應(yīng)的機(jī)械性能。本綜述不考慮不同的AM制造技術(shù)和參數(shù)對(duì)獲得高致密度的合金上。相反，工藝參數(shù)對(duì)顯微組織的影響進(jìn)行了介紹。主要介紹如下幾種鋁合金，分別為：(i) 鑄造 Al-Si合金, (ii) 針對(duì)AM使用的變形Al合金, (iii) 初生Al晶粒細(xì)化的鋁合金和 (iv) 粉末原材料

2. 鋁合金及其應(yīng)用
Al合金是應(yīng)用量?jī)H次于鋼的第二大廣泛應(yīng)用的金屬，在2019年期使用量為67 Mt。鋁合金的使用量每年保持著大約6%的增長(zhǎng)，這主要得益于該合金的低密度，比鋼輕三分之一、耐腐蝕以及優(yōu)異的具有綜合的物理和化學(xué)性能。輕質(zhì)合金的應(yīng)用，主要是鋁合金，在下一個(gè)十二年將會(huì)翻倍。ASTM將鋁合金分為兩大類(lèi)，即鑄造鋁合金和變形鋁合金，并設(shè)計(jì)成四位數(shù)的表達(dá)方式。在當(dāng)前，大約80%的鋁合金應(yīng)用于結(jié)構(gòu)合金的為變形產(chǎn)品，主要采用軋制、擠壓或鍛造的方式進(jìn)行生產(chǎn)。鑄造鋁合金主要采用鑄造的方式進(jìn)行，如砂型鑄造、重力鑄造、高壓鑄造以及消失模鑄造等，主要取決于合金類(lèi)型、部件的特征（如形狀、尺寸和質(zhì)量要求）以及成本。
對(duì)于結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的考量指標(biāo)，純Al的強(qiáng)度由于太低而很少應(yīng)用。同鋼相反，Al合金并不會(huì)呈現(xiàn)出同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而限制了通過(guò)相變對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化。鑄造鋁合金主要含Si、Cu和Mg 等微量元素。Si的添加形成了經(jīng)典的Al-Si共晶系統(tǒng)，提高了鑄造性能和流動(dòng)性。圖2a中的相圖表明共晶點(diǎn)為12.7 wt%Si，溫度為 579 °C，可以形成不同的顯微組織，這是因?yàn)樵诠簿�點(diǎn)的范圍附近元素成分不同的原因，見(jiàn)圖2c中所示。Al-Si為基礎(chǔ)的合金經(jīng)常用于AM制造，最為流行的為AlSi10Mg。熱力學(xué)軟件可以提供關(guān)于合金系統(tǒng)的相變和凝固參數(shù)以評(píng)估合金是否適合AM制造以及選擇加工參數(shù)。例如，Thermo-Calc 為AlSi10Mg合金生成的相比例見(jiàn)圖2b，不僅顯示了合金中相對(duì)相的比例，同時(shí)還顯示了Al的凝固點(diǎn)溫度為593 °C，共晶溫度為574 °C，凝固范圍為31 °C。鑄造Al-Si合金的顯微組織的細(xì)化可以通過(guò)化學(xué)接種法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如NiB來(lái)細(xì)化出生Al的晶粒尺寸，P來(lái)細(xì)化出生Si的尺寸，Sr來(lái)細(xì)化共晶Si的尺寸。顯微組織的細(xì)化還可以通過(guò)物理辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如超聲波、攪拌、電磁場(chǎng)等來(lái)改變加工工藝狀態(tài)，如冷卻速率。進(jìn)一步的，添加合金元素如Cu和Mg等進(jìn)行析出強(qiáng)化而增加合金的機(jī)械性能（Al2Cu, Al5Mg8Cu26的彌散）。在全球所使用的Al合金當(dāng)中，大約20% 的為鑄造鋁合金，包括汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)。

▲圖2 (a) Al-Si 二元系相圖； (b) Thermo-Calc 軟件所得到的 AlSi10Mg 的相變過(guò)程（同變形鋁合金相比具有較窄的凝固范圍）；(c)Al-Si 合金系統(tǒng)中所得到的三種不同類(lèi)型的顯微組織（此處的白色和灰色相分別代表初生Al和初生Si）

變形鋁合金分為兩個(gè)明顯不同的類(lèi)別，可以熱處理的合金 (2xxx, 6xxx, 7xxx)和不可若處理的鋁合金 (1xxx, 3xxx, 5xxx)。非熱處理的鋁合金主要通過(guò)冷加工（應(yīng)變硬化）來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。例如，5xxx AlMg(Mn) 合金呈現(xiàn)出強(qiáng)度和成型性的綜合性能。為了獲得理想的機(jī)械性能，不同的合金元素添加進(jìn)來(lái)，緊隨其后的是復(fù)雜的熱-機(jī)械加工過(guò)程。合金元素如如 Cu, Mg, Si, Zn, Li, Sc 均添加到鋁合金中析出Al2Cu, Al2CuLi, Mg5Si4Al2, Mg2Si, MgZn2, Al3Sc金屬間化合物相，其強(qiáng)化是通過(guò)適宜的熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步的，一些過(guò)渡元素，如Cr, Mn或 Zr等也可以添加到鋁合金中形成Al12Mg2Cr, Al20CuMn3, Al12Mn3Si和Al3Zr 分散顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)在熱-機(jī)械加工過(guò)程中晶粒的控制。這些顆粒的共格、體積分?jǐn)?shù)和分布均對(duì)強(qiáng)度的影響至關(guān)重要�？梢詿崽幚淼匿X合金2xxx、 6xxx和7xxx ，主要應(yīng)用在航空航天和汽車(chē)工業(yè)中，主要是因?yàn)樵跓崽幚碇�后其�?qiáng)度得到提高且具有有益的耐腐蝕性能。值得提出的是，AM制造的過(guò)程中經(jīng)歷著同傳統(tǒng)制造完全不通的加熱和冷卻過(guò)程，因此，得到的析出相也會(huì)不同。Jägle等人的研究指出，在制造鋁合金粉末和打印制品的時(shí)候由于相對(duì)快的加熱和冷卻過(guò)程而析出不同的析出相。此外，由于AM制造過(guò)程中的快速凝固，溶質(zhì)截留是一種非常普遍的現(xiàn)象。這歸因于在應(yīng)力釋放熱處理的過(guò)程中的析出強(qiáng)化。因此，非常有必要需要理解AM的循環(huán)和控制熱循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)理想析出相和性能的控制。


2.1. Al合金的AM制造
AM制造過(guò)程顯著的不同于傳統(tǒng)的鑄造工藝，其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于減少了制造步驟和浪費(fèi)的大大減少。金屬的AM制造會(huì)導(dǎo)致形成獨(dú)特的顯微組織和機(jī)械性能，這是傳統(tǒng)的機(jī)械制造所不能實(shí)現(xiàn)的。然而，傳統(tǒng)的鑄造在整個(gè)鑄造過(guò)程中是不能實(shí)現(xiàn)快速冷卻的，快速凝固主要限制在小或薄的部件的制造上。相反，SLM AM制造則呈現(xiàn)出優(yōu)異的特點(diǎn)，其快速加熱僅僅限于一次時(shí)只針對(duì)一個(gè)小范圍的材料。同激光輻照的時(shí)間非常短耦合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)快速加熱和快速冷卻(可以達(dá)到10exp（3）–10exp（8） K/s)。這就導(dǎo)致了加工狀態(tài)的不同，以及隨后的冶金反應(yīng)也不同，同傳統(tǒng)的鑄造工藝相比較的話(huà)。

SLM AM制造的一個(gè)最為重要的特征就是快速加熱和快速冷卻。鋁合金的快速凝固組織可以沿著三條線(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。首先，成分的變化時(shí)快速凝固的時(shí)候的過(guò)冷程度所造成的。在更加極端的情況下會(huì)造成無(wú)分區(qū)凝固（即無(wú)偏析）。其次，單獨(dú)的相細(xì)化會(huì)發(fā)生，此處顯微組織的細(xì)化非常接近凝固界面的速度。第三，形成非穩(wěn)態(tài)相，如Al6Fe在Al-Fe 中和 Al6Mn 在Al-Mn合金中形成，包括在一些快速凝固合金中的非晶結(jié)構(gòu)的形成以及準(zhǔn)晶相的形成，取決于合金元素的添加，甚至是在中等冷卻速率的條件下形成。獨(dú)特的顯微組織結(jié)構(gòu)的特征在鋁合金中會(huì)發(fā)現(xiàn)，主要是快速凝固后發(fā)生，包括細(xì)小的顯微組織，如枝晶間距的減少，偏析模式的減少、在初生Al中合金元素固溶度的擴(kuò)大、非穩(wěn)態(tài)晶的相變、非晶結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)晶等。

晶粒的結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能的影響是深遠(yuǎn)的。晶粒尺寸極大的影響到機(jī)械性能，這一點(diǎn)通過(guò)Hall–Petch關(guān)系式來(lái)說(shuō)明(σy=σ0+k/d ), 這一關(guān)系式表明多晶的屈服強(qiáng)度(σy ) 同晶粒尺寸 (d )的平方根成反比，此處的σ0 為摩擦應(yīng)力（同晶粒尺寸無(wú)關(guān)），K是材料常數(shù)。在SLM制造的過(guò)程中高的冷卻速率是產(chǎn)生細(xì)小晶粒的便利條件，從而可以同傳統(tǒng)鑄造相比具有有益的機(jī)械性能。鋁合金進(jìn)行SLM制造時(shí)的晶粒尺寸一般為~≥50 μm，比較典型的屬于Hall–Petch 關(guān)系式的應(yīng)用范疇，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的增加。然而，許多晶粒具有生成柱狀晶而不是等軸晶的傾向（在制造方向）。因此，機(jī)械性能就有可能是各向異性的，這一點(diǎn)對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)對(duì)于晶粒尺寸的特定分析也是非常重要的。合金強(qiáng)化也可以通過(guò)控制共晶、析出相、彌散強(qiáng)化、金屬間化合物和非穩(wěn)態(tài)相的形成來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用鋁粉末進(jìn)行SLM制造也是非常特別的，這是因?yàn)殇X合金的熱導(dǎo)率高和低的比重，使得適合制造輕質(zhì)和熱控制的部件（如吸熱和熱交換器件）。然而，大多數(shù)可打印的鋁合金仍然是強(qiáng)度比較低的近共晶AlSiMg為基礎(chǔ)的合金，而不是高強(qiáng)度的變形合金。另外一類(lèi)可打印的鋁合金為含有高Ti含量的2xxx (Al-Cu)合金系，如 Aeromet所發(fā)展的A20X™ (Al-4.5Cu-0.3Mg-0.7Ag-3.5Ti) 含Sc和Zr的5xxx (Al-Mg)系合金，如 空客公司所發(fā)展的Scalmalloy® (Al-4.5Mg-0.6Sc-0.5Mn-0.3 Zr)，HRL實(shí)驗(yàn)室所發(fā)展的含高Zr的7xxx (Al-Zn) 合金，如 Al-7A77 alloy (Al-5.5Zn-1.5Cu-2.5Mg-1.5Zr)。

直到今天，AM制造的Al合金的研究活動(dòng)同其他合金相比，還是受到限制的。這里有大量的因數(shù)限制著鋁合金的打印，如粉末中容易形成氧化物、粉末的流動(dòng)性差、對(duì)常見(jiàn)的激光器的波長(zhǎng)鋁合金吸收率低、材料的導(dǎo)熱率高等。尤其是，鋁合金的高熱導(dǎo)率和低的激光能量吸收使得需要較高的能量才能實(shí)現(xiàn)粉末的熔化。然而，這樣做的話(huà)也導(dǎo)致合金的不均勻的汽化，如Zn、Mg等元素具有較高的蒸汽壓，會(huì)優(yōu)先汽化。這就導(dǎo)致了最終打印部件的不均勻性。

大多數(shù)含Sr的合金目前還不屬于商業(yè)化的合金，它們的合金粉末目前只有少數(shù)的供應(yīng)商能夠提供。進(jìn)一步的，典型的高強(qiáng)度變形鋁合金（拉伸強(qiáng)度達(dá)到500MPa以上且延伸率在熱處理后可以超過(guò)10%）在打印的時(shí)候加工性能很差，這是因?yàn)闊崃鸭y的存在。結(jié)果，采用新的辦法來(lái)提高鋁合金的可打印性能就非常重要。下圖3總結(jié)了傳統(tǒng)鋁合金和當(dāng)前采用SLM進(jìn)行打印的鋁合金的拉伸強(qiáng)度的對(duì)比圖。該圖非常清晰的顯示了通過(guò)SLM制造的鋁合金可以獲得幾乎同傳統(tǒng)制造工藝相似的拉伸強(qiáng)度，但延伸率卻下降，這一點(diǎn)隨后再詳細(xì)討論。

▲圖3 （a）傳統(tǒng)制造的鋁合金和（b）SLM制造的鋁合金的拉伸強(qiáng)度圖

3. Al-Si合金的AM制造
近共晶 Al-Si 合金具有杰出的流動(dòng)性、高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的鑄造性，因此大多數(shù)的鋁合金在采用SLM制造的時(shí)候基本都是亞共晶Al-Si (7–12 wt%)-Mg (>1 wt%)合金。少量的公開(kāi)文獻(xiàn)會(huì)使用具有較高Si含量的過(guò)共晶，基本上是將Si和Al粉末混合進(jìn)行。


3.1. 制造的Al-Si合金的顯微組織
3.1.1. 亞共晶Al-Si合金
在凝固過(guò)程中顯微組織的演變是決定SLM制造的部件的機(jī)械性能的一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。在SLM制造的亞共晶Al-Si合金中主要的顯微組織為初生Al晶粒和共晶Si相。一個(gè)通常的SLM制造的鋁合金的初生Al晶粒的形貌為外延生長(zhǎng)的柱狀晶（見(jiàn)圖4a）。這一柱狀晶，平行于制造方向，是AM制造的金屬部件產(chǎn)生各向異性的主要原因。外延生長(zhǎng)的柱狀晶的生長(zhǎng)原因是在材料沉積的過(guò)程中早先凝固的層部分熔化熔化的結(jié)果，然后在隨后的制造層中連續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)果。這就造成了熔池中足夠的熱梯度，沿著釋放的潛熱來(lái)阻止在凝固前沿的新相的孕育。EBSD研究顯示這些柱狀晶呈<001>顯微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，由于在陡峭的溫度梯度（快速加熱和快速冷卻形成的）條件下的定向傳熱導(dǎo)致長(zhǎng)的柱狀晶的形成，在凝固過(guò)程中的共晶周?chē)�的邊界形成。Wu等人注意到這些長(zhǎng)的胞的形成實(shí)在柱狀晶之內(nèi)形成的，并不會(huì)改變生長(zhǎng)方向，當(dāng)在共晶沉積和在現(xiàn)存的Al胞中形成的條件下，見(jiàn)圖4e和f所示。在他們的工作中，報(bào)道的柱狀晶的尺寸達(dá)到了幾百個(gè)μm，其胞的尺寸為幾個(gè)μm。他們的研究表明外延生長(zhǎng)存在于共晶的Si和Al之間（描述為(111)Si||(200)Al)）。在傳統(tǒng)鑄造的時(shí)候，當(dāng)冷卻速率小于10 K/s的時(shí)候，Si顆粒生長(zhǎng)成針狀或板條狀的結(jié)構(gòu)且存在于Al晶粒的枝晶結(jié)構(gòu)中（見(jiàn)圖2）。相反，在SLM制造的高的冷卻速率的條件下(10exp（3）–10exp（8） K/s) ，這些合金形成超細(xì)的共晶Si結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4c和d，在胞周?chē)�和晶粒邊界（圖4g和h）的尺寸大約為10–100 nm 。這一極端細(xì)小的胞纖維組織，以及超細(xì)的共晶組織，導(dǎo)致了SLM制造的鋁合金樣品的機(jī)械性能的顯著提高。

▲圖4 亞共晶AlSiMg合金的顯微組織特征，EBSD結(jié)果顯示了(a)出生的Al柱狀晶的晶粒 <001> 顯微織構(gòu)在制造方向（ZY）的結(jié)果，(b) 在XY方向上的出生Al晶粒的結(jié)構(gòu)； (c) ZY 和(d) XY方向上的SEM照片, 表明細(xì)小的共晶結(jié)構(gòu)。噶被放大的照片，顯示了 (e) 帶對(duì)比度圖像和 (f) 一個(gè)方位圖 , 顯示了在出生Al晶粒中的胞結(jié)構(gòu)的相似的方位；TEM image in (g) 和 (h) 的TEM照片顯示的細(xì)小的共晶Si在胞內(nèi)的情形。

優(yōu)化工藝參數(shù)在SLM制造過(guò)程中的應(yīng)用來(lái)構(gòu)建具有細(xì)小顯微組織和理想機(jī)械性能的部件。在SLM制造過(guò)程中共晶Si的顯微組織的控制受到許多因數(shù)的影響，包括熱動(dòng)力學(xué)（即潤(rùn)濕性）和局部的Al和Si的原子濃度。在SLM的制造過(guò)程中，由于熱源是移動(dòng)的，熱溫度梯度和生長(zhǎng)速率的變化是隨著熔池而變化的，導(dǎo)致了構(gòu)建的顯微組織和織構(gòu)的不同。許多研究人員探索了這一點(diǎn)，嘗試通過(guò)控制工藝參數(shù)來(lái)改變?nèi)鄢囟鴮?shí)現(xiàn)合金顯微組織的改變。例如，Thijs等人則提出了熔合的在溶質(zhì)的再分配效應(yīng)同傳統(tǒng)制造工藝顯著不同。他們觀察到Si的固溶度在固溶的Al中由于快速冷卻而顯著的增加。因此，超固溶的Al固溶體，得到細(xì)小的胞-枝晶結(jié)構(gòu)，沿著位于胞邊界的纖維狀的共晶Si而形成。Si在液相Al中的固溶濃度受到冷卻速率和擴(kuò)散的影響，這可以通過(guò)幾個(gè)主要的工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制，包括激光功率和掃描速度等。進(jìn)一步的，由于激光同材料的相互作用時(shí)間比較短，液相的波動(dòng)或毛細(xì)波的形成，將會(huì)在熔池中產(chǎn)生不均勻的顯微組織。相應(yīng)地，不同的研究人員研究了通過(guò)不同掃描策略來(lái)改變顯微組織和提高SLM制造制品的質(zhì)量。

3.1.2. 過(guò)共晶Al-Si合金
過(guò)共晶Al-Si合金的顯微組織主要包括初生的Si顆粒和共晶的針狀Si嵌入在初生的Al基材中，初生的Si顆�？梢援a(chǎn)生高的強(qiáng)度和耐磨性能。在傳統(tǒng)鑄造的時(shí)候，會(huì)形成多面和塊狀的初生Si，見(jiàn)圖2c所示。，從而導(dǎo)致韌性低、耐磨性差和機(jī)加工性能差，這極大的限制了該合金的應(yīng)用。這些限制可以通過(guò)細(xì)化初生Si顆粒和在Al基材中的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。在AM制造中，初生Si顆粒的尺寸通常<1 μm，同傳統(tǒng)鑄造的合金相比，他們通常為 25–50 μm，此時(shí)的合金含Si量為20wt%。Kang等人的研究表明在高Si合金Al-50Si 合金中，熔池內(nèi)部（接近激光熱源的地方）會(huì)隨著Si的濃度的降低而逐漸凝固，此時(shí)外部的熔池由于較高的冷卻速度而產(chǎn)生具有更小尺寸的出生Si相，見(jiàn)圖5所示。這是因?yàn)楸涣鲃?dòng)的液體（Marangoni 對(duì)流）所控制的液相金屬孕育的初生Si相在熔池外部凝固，這是在SLM的過(guò)程中的溫度較低的時(shí)候形成的。這一構(gòu)建過(guò)程中的微觀分離會(huì)對(duì)熔池的溫度和尺寸造成顯著的影響。這一數(shù)值是輸入能量的函數(shù)。進(jìn)一步的，掃描速度和其他加工參數(shù)也會(huì)顯著的影響過(guò)共晶的顯微組織，在SLM過(guò)程中的較高的冷卻速率會(huì)造成相的位移，并且過(guò)共晶會(huì)形成同亞共晶或共晶相似的顯微組織。

▲圖5 SLM制造過(guò)共晶 Al-50Si鋁合金時(shí)的顯微組織和示意圖，熔池、初生的Si和共晶的Si均分布在其內(nèi)

SLM制造的時(shí)候，在亞共晶和過(guò)共晶-共晶之間的Al-Si合金的顯微組織是不同的。這主要是因?yàn)樵诔跎�相的凝固過(guò)程中相的比例不同造成的。初生的Al主要在亞共晶中占據(jù)主導(dǎo)，由于在強(qiáng)烈的熱溫度梯度和快速傳熱的條件下及其少量的共晶彌散在晶粒間以細(xì)小的形式的定向生長(zhǎng)而形成外延和柱狀晶結(jié)構(gòu)。在另外一方面，相當(dāng)數(shù)量的共晶存在于過(guò)共晶合金中，此時(shí)的Si形核作為初生相以分散的顆粒存在于共晶液相中。而這可以避免柱狀晶在過(guò)共晶中的形成，強(qiáng)烈的熱溫度梯度和相應(yīng)的流體流動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致Si顆粒的不均勻的分布和漂浮的分離。由于熱溫度梯度和冷卻速率均會(huì)影響凝固狀況和液體的流動(dòng)，激光加工參數(shù)將會(huì)同時(shí)影響過(guò)共晶和亞共晶的顯微組織，盡管他們?cè)陲@微組織和形成上存在差別。


3.2. 缺陷
研究也表明加工參數(shù)對(duì)AM制造Al-Si合金部件的密度產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，這是因?yàn)闀?huì)形成氣孔。氣孔的形成會(huì)嚴(yán)重的影響到部件最終的機(jī)械性能和斷裂強(qiáng)度。眾所周知，加工參數(shù)可以?xún)?yōu)化來(lái)增加SLM制造的部件的密度。例如，應(yīng)用高的功率和掃描速度的組合，并且掃描間距縮小，可以通過(guò)優(yōu)化后來(lái)提高SLM制造部件的密度。然而，很少有研究研究揭示出其對(duì)熔池的材料化學(xué)的影響造成的對(duì)最終部件中缺陷的形成的影響的相關(guān)研究。
圖6顯示的為在AM制造AlSiMg合金的時(shí)候所得到的不同的缺陷。球化現(xiàn)象（圖6a）是在SLM制造金屬的時(shí)候經(jīng)常觀察到的一種現(xiàn)象，它會(huì)造成不規(guī)則的掃描道和弱的道道之間的結(jié)合。進(jìn)一步的，這一球化現(xiàn)象在沉積新鮮的粉末到前一已經(jīng)熔化的道次上的時(shí)候會(huì)造成阻礙，由此造成不均勻、氣孔和甚至是分層。因此，球化會(huì)嚴(yán)重的惡化材料的性能和部件的幾何形狀。不規(guī)則的氣孔缺陷是一系列不完全熔化和捕獲的氣體所形成的。不規(guī)則的氣孔缺陷是不充分的能量密度和層層之間的弱的結(jié)合所造成的，此時(shí)排列的缺陷經(jīng)常伴隨著相鄰的熔化道之間的距離過(guò)大所導(dǎo)致的掃描道之間搭接不充分造成的。

▲圖6 在SLM制造Al-Si的時(shí)候形成的典型的缺陷的不同類(lèi)型：(a) , (b) 氣體造成的氣孔 , (c) 由于未熔化完全造成的空穴或氣孔；(d) 熱裂紋

粉末原材料中的濕氣會(huì)造成比較小的氣體所形成的氣孔，一般直徑小于5 μm，見(jiàn)圖6b。這在高能量的激光進(jìn)行作用的時(shí)候是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。進(jìn)一步的，如果濕氣同Al反應(yīng)，生成Al2O3的話(huà)，釋放出來(lái)的氫氣就會(huì)被溶體所吸收。這樣反過(guò)來(lái)就會(huì)造成富集氫的氣孔，使得氣孔的尺寸在制造過(guò)程中由于溫度升高而變大。例如，Weingarten 等人報(bào)道了在SLM制造A1Si10Mg 合金的時(shí)候，其形成的氣孔96%的為氫氣孔，見(jiàn)圖7。然而，將粉末進(jìn)行預(yù)熱會(huì)抑制氣孔的擴(kuò)大。例如，Yang等人的研究顯示，在氣氛室內(nèi)200 °C的條件下保溫16小時(shí)會(huì)顯著的提高制造產(chǎn)品的質(zhì)量。

▲圖7 Weingarten等人的研究結(jié)果:（a） 鋁合金粉末和激光相互作用的示意圖；（b）SLM制造的AlSi10Mg合金樣品的橫截面圖；（c）SLM制造的AlSi10Mg合金在經(jīng)過(guò)550 °C@1h熱處理之后得到的橫截面結(jié)果

大尺寸的氣孔（直徑為>30 μm）同熔化時(shí)的匙孔效應(yīng)相關(guān)，造成的原因是極端高的體積能量密度以及在采用相似的能量進(jìn)行輪廓掃描和中心掃描的時(shí)候。第一個(gè)位置位于輪廓掃描的區(qū)域，此處的熔池的一邊的熱擴(kuò)散比較困難，造成大量的熱積累。第二個(gè)位置位于圓周的中心，此處的加速和減速存在改變激光方向，造成局部的能量增加。在這兩個(gè)位置形成的氣孔會(huì)導(dǎo)致疲勞性能下降，但可通過(guò)調(diào)節(jié)能量輸入來(lái)改變。第三種典型的位置為島狀掃描的邊界時(shí)存在，此處存在額外多的邊界搭接。優(yōu)化SLM制造的Al-Si合金的參數(shù)會(huì)顯著的控制這些未熔合氣孔的存在，見(jiàn)圖6c。實(shí)現(xiàn)了制造致密的部件，即使是在沒(méi)有預(yù)熱粉末原材料的前提下也能實(shí)現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，近共晶Al-SI合金對(duì)凝固裂紋或熱裂紋不敏感，除了Si的含量為1 wt%的時(shí)候，見(jiàn)圖6d。這些SLM樣品中的裂紋的萌生是通過(guò)氣孔的收縮和由于在制造的過(guò)程中應(yīng)力的釋放造成的擴(kuò)展而形成。

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文章來(lái)源：A review of Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of aluminium alloys: Microstructure and properties,Additive Manufacturing，Volume 46, October 2021, 102155,https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102155