綜述：SLM制造鋁合金的顯微組織和性能（三）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文綜述了增材制造Al合金的現(xiàn)狀，主要聚焦顯微組織表征以及機械性能。在AM制造鋁合金時存在的顯微組織和缺陷的形成從冶金學的角度進行了分析，同時對發(fā)展的高性能鋁合金也進行了討論。

1.1 5系(Al-Mg)
基于Al-Mg的5系列合金是不可熱處理的，但它們確實表現(xiàn)出固溶體強化、應變硬化、優(yōu)良的耐腐蝕性和可焊性。因此，它們被廣泛用于汽車應用，如門組件。與高強度2系、6系和7系合金相比，傳統(tǒng)制造的5系合金僅具有中等強度。添加少量Sc和/或Zr可顯著提高Al-Mg合金的相對密度(高達99.2-99.9%)，使合金具有良好的抗拉強度和延展性，并改善整體加工性能。

這些元素起著雙重作用。首先，在凝固過程中形成的Al3Sc和Al3Zr(L12晶體結(jié)構(gòu))顆粒作為異質(zhì)成核點來細化初生鋁晶粒，從而提高機械性能(Hall-Petch強化)。這也阻止了導致熱裂紋的柱狀晶粒的生長，這是大多數(shù)現(xiàn)有高強度鋁合金的問題。其次，在應力消除處理(275-325°C)期間形成的Al3Sc和Al3Zr納米沉淀促進了后續(xù)加熱(150-200°C)過程中細晶粒結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。這是因為Al3Sc和Al3Zr的粗化動力學緩慢，因為Sc和Zr在Al中的擴散性差。此外，Sc基合金的熱處理基本上與L-PBF制造的鋁合金的廣泛應力消除處理相匹配。這種熱處理是從平臺上移除構(gòu)建部件之前的重要步驟，因為它可以避免開裂和/或變形。這提供了一個額外的好處并且對商業(yè)制造具有吸引力。這里描述的優(yōu)點，使大家覺得在開發(fā)高強度和可熱處理的Al-Sc合金方面似乎有很大的前景。

Schmidtke等人證明了Sc合金化與Zr結(jié)合的優(yōu)勢，其成分為Al-4.5Mg-0.66Sc-0.51Mn-0.37Zr，用于L-PBF加工AM。這種合金也稱為Scalmalloy®，是空客集團專門為AM開發(fā)的第一種鋁合金。目前，Scalmalloy®是用于持續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量AM部件的最強鋁合金，屈服強度為470MPa，拉伸強度為520MPa，斷裂延伸率為13%。研究表明，隨著Al3Sc的析出，強度增加，當Sc含量為0.1wt%時，強度增加約40–50MPa。Li等人研究了Al-xMg-Sc-Zr合金，將Mg含量從1.5%改變到6wt%，與Scalmalloy®相比，Sc的含量減少。該研究的目的是減少昂貴的Sc的數(shù)量，同時實現(xiàn)類似的性能。

然而，微觀結(jié)構(gòu)研究表明，當Mg含量增加時，熱裂現(xiàn)象很明顯。僅當添加1.3wt%的Si時，熱裂紋才減少，從而產(chǎn)生細化的Al-Mg2Si枝晶間共晶結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)由直徑為300-600nm的超細凝固細胞組成，其中嵌入了2-15nm的Al3(Sc,Zr)納米粒子。晶間Al-Mg2Si共晶，Mg2Si直徑約為10-100nm，存在于晶胞或柱狀亞晶界。打印后合金的抗拉強度在500-550MPa之間，延伸率約為8-11%，這取決于時效熱處理工藝。Croteau等人研究了兩種三元合金(Al-3.60Mg-1.18Zr和Al-3.66Mg-1.57Zr)，試圖通過消除Sc來降低成本，同時實現(xiàn)等效的晶粒細化。打印后的微觀結(jié)構(gòu)顯示出兩種類型的晶粒：細晶粒(約0.8μm)、等軸晶粒、各向同性晶粒和粗晶粒(約1-10μm)、柱狀晶粒、織構(gòu)晶粒。這兩種晶粒結(jié)構(gòu)都包含氧化物顆粒和Al3Zr沉淀物，提供了高屈服強度(354MPa)、極限抗拉強度(380MPa)和延展性(約20%)的混合物，在建組裝和峰值時效樣品中均具有各向同性的特性。

1.2 6系(Al-Mg-Si)

可熱處理的鍛造6系(Al-Mg-Si)鋁合金具有中等強度(>300MPa)、良好的耐腐蝕性和可擠壓性，使其在結(jié)構(gòu)和汽車應用中具有吸引力。6系(無銅)合金的基本析出順序為：SSSS(超飽和固溶體)→溶質(zhì)簇→GPB區(qū)→亞穩(wěn)態(tài)β′′→亞穩(wěn)態(tài)β′→穩(wěn)定β(Mg2Si)。然而，Al-Mg-Si合金對熱裂紋的敏感性在焊接文獻中是眾所周知的，最近在激光焊接的背景下也是如此。與焊接類似，L-PBF加工無裂紋構(gòu)造在報道的文獻中取得的成功有限。6061(Al-1Mg-1Si)合金因其以軋制和擠壓型材的形式應用于汽車應用而得到了廣泛的研究。

Fulcher等人研究了AA6061合金，并將其與可印刷的AlSi10Mg進行了比較。他們系統(tǒng)的實驗工作得出結(jié)論，AA6061合金發(fā)生熱裂紋的主要原因是較高的熱膨脹系數(shù)(CTE)和較大的凝固范圍。其他研究人員也觀察到多種晶粒中的裂紋，并確定晶界上的氧化膜是造成這種現(xiàn)象的主要因素。研究人員認為，穩(wěn)定的鋁氧化膜比鋁具有更高的熔點，在L-PBF加工過程中，這些氧化膜在熔池邊界處偏析，隨后形成裂紋。為了提高該合金的可加工性，人們已經(jīng)探索了幾種策略。Roberts等人通過混合鋁和硅粉制備AA6061合金，他們的工作表明熱裂紋減少。然而，與商業(yè)AA6061合金相比，混合粉末產(chǎn)生的化學成分略有不同。Martin等人研究了添加晶粒細化劑的AA6061合金，使用Zr納米顆粒來減少L-PBF中的熱裂紋。他們的結(jié)果表明，將初生鋁晶粒形態(tài)從柱狀變?yōu)榈容S狀(尺寸約為5μm)可以完全消除熱裂紋。Zr納米粒子與鋁反應并形成Al3Zr粒子，作為初生Al晶粒的成核位點，如第5節(jié)所述。

研究人員探索的另一種方法是將基板加熱至500°C，這樣可以在建造過程中降低殘余應力并抑制熱裂紋。經(jīng)過T6熱處理后，獲得了無裂紋構(gòu)建，抗拉強度約為310MPa，延伸率為3.5%。這與通過傳統(tǒng)加工生產(chǎn)的零件相當，但延展性降低。

1.3 7系(Al-Zn)

基于Al-Zn的7系合金以優(yōu)異的機械性能而聞名，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。7系合金的基本析出順序是：SSSS(超飽和固溶體)→溶質(zhì)簇→GPB區(qū)→亞穩(wěn)態(tài)η′→穩(wěn)定η(MgZn2)。然而，與2系和6系合金一樣，7系在L-PBF過程中存在熱裂問題。幾項研究研究了加工條件對7075(Al-5Zn-1.5Cu-2.5Mg)(或類似的)合金在L-PBF零件中缺陷形成的影響。添加硅可以防止在由L-PBF制造的7075合金結(jié)構(gòu)中形成微裂紋。

Sistiaga等人觀察到，將7075粉末與4wt%的硅顆粒混合可以消除微裂紋的形成。作者將改進的可加工性歸因于硅的加入降低了熔池的粘度。他們還觀察到一種新的共晶相和強大的晶粒細化作用，可防止裂紋的形成和傳播。Aversa等人研究了7075合金與可打印的AlSi10Mg合金(50:50)的混合，Otani等人研究了7075合金與5wt%額外的硅。他們的結(jié)果也證實了添加硅可消除熱裂紋并形成細小的初生鋁晶粒。然而，混合兩種或多種粉末會導致元素分布不均勻，從而在構(gòu)建部件內(nèi)產(chǎn)生各向異性的機械性能。Otani和Sasaki研究了含高達16wt%硅的預合金7075，以闡明硅對加工、微觀結(jié)構(gòu)的形成和機械性能的影響。結(jié)果表明，在最佳加工條件下，隨著硅含量的增加，空隙和熱裂紋等缺陷減少，相對密度增加。添加5wt%硅完全消除了熱裂紋，并實現(xiàn)了360MPa的屈服強度(YS)和537MPa的抗拉強度(UST)，斷裂延伸率為9.7%。然而，他們觀察到添加大量的硅增加了脆性。該系統(tǒng)可能有助于L-PBF構(gòu)建輕質(zhì)部件，因此進一步研究該系統(tǒng)中硅的添加可能會在該領(lǐng)域取得突破。

已提出的另一種方法是添加Zr或Sc。這些在鋁合金中作為金屬間形成元素。如Martin等人證明在7075合金粉末中使用氫穩(wěn)定的Zr納米粒子導致形成分散良好的Al3Zr金屬間化合物。然后，在凝固過程中，這些將作為原生鋁的成核點，產(chǎn)生細小的等軸晶粒，抑制微裂紋的形成。T6熱處理后觀察到的機械性能為325-373MPa YS，383-417MPa UTS，斷裂延伸率為3.8-5.4%，接近傳統(tǒng)生產(chǎn)的7075合金。Qi等人通過改變?nèi)�種類型的熔池來研究7050合金：杯狀熔池、半圓形熔池和兩者的組合。形狀類似于小孔、傳導和過渡模式。他們的實驗結(jié)果表明，在小孔模式下，由于從熔池邊界到熔池中心的熱梯度和生長速率的變化，裂紋的數(shù)量減少了。同樣值得注意的是，通過改變加工條件來增加熱量輸入有幾個缺點，如Zn等合金元素的蒸發(fā)，這會導致構(gòu)建中的化學異質(zhì)性。這種不斷變化的熔池策略同樣適用于其他合金系統(tǒng)。Mauduit等人研究了7075合金在制造前后化學成分的變化，發(fā)現(xiàn)鋅的質(zhì)量百分比從5.8wt%降低到3.9wt%，Mg從2.6wt%降低到2.1wt%。Zn和Mg的損失會導致7075合金機械性能的惡化，因為這些合金元素會促進MgZn2相的固溶強化和沉淀硬化。此外，Kaufmann等人通過在200°C下預熱基板來研究7075合金，但是他們的結(jié)果沒有顯示出熱裂紋的顯著減少。

2. 增材制造中的晶粒細化
AM的一個重大挑戰(zhàn)是防止在凝固過程中形成柱狀初生鋁晶粒結(jié)構(gòu)。AM工藝具有高熱梯度和高冷卻速率，這通常會導致定向生長，以及先前沉積的材料的部分重熔，導致柱狀晶粒的外延生長。由于熱應力和凝固收縮，這些晶粒之間富含溶質(zhì)的液體通道很長，可能會引起晶間熱撕裂。柱狀晶粒還會產(chǎn)生機械性能的各向異性，這通常是不可取的。更理想的結(jié)果是均勻、細小、等軸晶粒結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生具有各向同性機械性能的結(jié)構(gòu)，可以抵抗熱撕裂。然而，與傳統(tǒng)制造的高強度鋁合金相比，很難改變增材制造元件的構(gòu)造晶粒結(jié)構(gòu)，其中凝固的晶粒結(jié)構(gòu)可以通過隨后的熱機械加工來矯正，從而提高這些合金的整體性能。因此，在AM中，最好的方法是在凝固過程中誘導形成所需的等軸晶粒，這可以通過調(diào)節(jié)熱梯度和凝固速度來實現(xiàn)。

在文獻中，細小的等軸晶粒結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)通過以下方式證明：(i)添加晶粒細化劑(如TiB2、NiB)和溶質(zhì)(如Ti)，(ii)應用物理力(如超聲波處理、電磁攪拌)和(iii)改變凝固條件(如冷卻速率)。

▲圖14 熱梯度和生長速率對晶粒尺寸和形態(tài)的影響示意圖。S和L分別代表固體和液體。

2.1 通過孕育劑顆粒和溶質(zhì)元素細化晶粒

傳統(tǒng)鑄造中最常見的晶粒細化方法是在不影響原始合金化學性質(zhì)的情況下添加微量溶質(zhì)和孕育劑。1952年，Turnbull和Vonnegut通過晶格分離提出了成核劑的晶粒細化效能。隨后，開發(fā)了幾個實驗和數(shù)學模型來確定適合鋁合金晶粒細化的成核粒子。如“自由生長模型”經(jīng)常被用來分析成核粒子的效能。同樣，在1954年，Winegard和Chalmers提出了一種新的柱狀到等軸轉(zhuǎn)變(CET)理論，該理論描述了添加孕育劑或添加溶質(zhì)以及控制凝固參數(shù)。在這個方向上，重要的研究活動特別集中在鋁和鎂合金上。一些溶質(zhì)元素具有有效的生長限制因子(Q=mC0(k−1)，其中m是液相線的斜率，C0是塊狀合金中的溶質(zhì)濃度，k是分配系數(shù))。根據(jù)實驗結(jié)果，觀察到晶粒的尺寸和形態(tài)與合金中存在的溶質(zhì)直接相關(guān)。StJohn小組的大量工作得出的結(jié)論是，對于開始進行結(jié)構(gòu)過冷，潛在的成核粒子在凝固過程中在固體生長前沿之前引發(fā)異相成核波至關(guān)重要。當Q值較大時，過冷區(qū)會在凝固前沿之前形成。在這些過冷區(qū)開始成核，因為存在具有低臨界過度冷卻的成核粒子。這些區(qū)域中的顆粒與基體晶粒具有相干的晶體匹配。圖15說明了傳統(tǒng)鑄造鋁合金的Q值與晶粒尺寸。當傳統(tǒng)鑄造和金屬AM之間的凝固條件存在差異時，將對溶質(zhì)和孕育劑產(chǎn)生強烈影響促進異質(zhì)成核。此信息可用于金屬AM以促進CET，其中G和R等參數(shù)受到控制(圖14)。凝固過程中各種晶粒形態(tài)的發(fā)展如圖14所示。

最近在AM研究中，已在金屬AM中添加溶質(zhì)和孕育劑，以實現(xiàn)等軸微觀結(jié)構(gòu)，最大限度地減少熱撕裂效應。目的是引入成核劑作為外部添加的顆粒，或通過從先前熔化的層形成金屬間化合物，在隨后的凝固過程中充當成核點，或通過添加高Q值元素在固液界面之前來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過冷以進行成核。
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▲圖15 初生鋁晶粒尺寸與具有不同合金元素的生長限制因子(Q)的關(guān)系。

2.1.1 添加TiB2和溶質(zhì)Ti

在過去三年中，許多研究人員添加了常用的初生鋁晶粒細化劑，如Al-Ti-B母合金，其Ti含量通常高于TiB2的化學計量比2.2:1(wt%)。因此，該晶粒細化劑提供了TiB2孕育顆粒以及Ti溶質(zhì)，而Ti溶質(zhì)在鋁合金中具有較高的Q值。TiB2孕育劑顆粒與液態(tài)鋁反應時，在TiB2上形成更穩(wěn)定的Al3Ti層，可作為初生鋁晶粒的形核點。孕育劑Al-Ti-B細化劑在鑄件中實現(xiàn)晶粒細化(將毫米大小的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)百微米大小的晶粒)，因此它們也被添加到AM金屬中以達到相同的效果。L-PBF處理的AlSi10Mg的有效晶粒細化是通過將納米級TiB2(5.6wt%)分散在涂層粉末中實現(xiàn)的，如圖16(a和b)所示。Carluccio等人研究了在Al7Si-6061合金中添加0.33wt% Al-5Ti-1B晶粒細化劑，然后將合金暴露于激光重熔，并觀察到所研究的所有掃描的晶粒細化。在低掃描速度下，6061合金的平均晶粒尺寸從33μm減小到5μm，Al-7Si合金的平均晶粒尺寸從30μm減小到10μm。

此外，Wang等人使用原位制造方法制備了含有TiB2粉末顆粒的TiB2/Al3.5-Cu1.5MgSi復合材料的L-PBF，其中TiB2粉末顆粒的體積分數(shù)為5vol%，并注意到從23μm到2.5μm的顯著晶粒細化。Wen等人在2024合金中添加3wt%TiB2并獲得等軸結(jié)構(gòu)。與未添加TiB2的長度為60μm至1.6mm的柱狀結(jié)構(gòu)相比，晶粒尺寸細化至20–35μm，并且元件的機械性能得到增強。Tan等人在2024合金原料粉末中使用了Ti納米粒子，這使得亞穩(wěn)態(tài)L12-Al3Ti的發(fā)展成為可能。這些亞穩(wěn)態(tài)納米粒子的形成是由于在L-PBF過程中快速冷卻。這個過程有效地引發(fā)了初生鋁的異質(zhì)成核，導致細小的等軸結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其中平均晶粒尺寸測量為約2μm(圖16(e和f))。Tan等人還通過在AlSi10Mg合金中添加高達2wt%的LaB6進行了研究(圖16(c和d))。他們的結(jié)果表明，LaB6納米顆粒作為初生鋁的成核位點，細化了微觀結(jié)構(gòu)。添加超過0.5wt%進一步減小了晶粒尺寸，但由于過量的LaB6顆粒在晶界上的偏析，也降低了延展性。

▲圖16 在L-PBF中添加溶質(zhì)和成核顆粒對鋁合金晶粒的細化作用示意圖。(a,b)含和不含TiB2的AlSi10Mg。(c,d)含和不含LaB6的AlSi10Mg。(e,f)含和不含Ti的2024合金。(g,h)Al-1.5Mg-0.2Sc-0.1Zr添加和不添加Si和更高的Mg。(i-l)含和不含Sc的Al-Mg-Zr具有不同的能量密度。(m,n)含和不含ZrH2的7075合金。(o,p)含和不含Si的7075合金。

中圖：納米TiB2顆粒在SLM制造AlSi10Mg時對其各向異性的影響。

下圖：SLM制造NI-AlSi10Mg的時候， LaB6 納米顆粒在空間的分布

2.1.2 添加Zr

通過包晶反應形成Al3Zr顆粒，通過添加Zr可以實現(xiàn)有效的晶粒細化，從而為初生鋁晶粒提供了異質(zhì)成核位點。與Ti相比，Zr的Q值較低，但Al3Zr顆粒仍被認為是有效的晶粒細化劑。保留在鋁固溶體中的Zr在熱處理過程中也會形成Al3Zr析出物，這有利于提高鋁合金的力學性能，特別是在高溫下。Zhang等人研究了添加2wt% Zr的2024(Al-Cu-Mg)合金，他們通過改變晶粒形態(tài)來消除熱裂紋，如圖16(g和h)。由于打印的微觀結(jié)構(gòu)顯示在熔池邊界形成等軸晶粒(尺寸為1-2μm)，柱狀晶粒向熔池中心生長。這種改進的微觀結(jié)構(gòu)的拉伸性能達到了約450MPa UTS，斷裂延伸率低(2.7%)。這種延展性的降低可能是由于形成過多的Al3Zr金屬間化合物顆粒所致。Nie等人的一項研究表明，將Zr含量從2wt%降低到0.6wt%，將2024合金的延展性提高了11%。然而，僅添加0.6wt% Zr不足以細化整個微觀結(jié)構(gòu)，并且不能消除L-PBF中的熱裂紋。此外，注意到在構(gòu)建中形成的等軸晶粒的數(shù)量取決于掃描速度，其中以5m/min的掃描速度觀察到完全等軸結(jié)構(gòu)，但在15m/min的掃描速度下觀察到混合柱狀結(jié)構(gòu)并觀察到等軸微觀結(jié)構(gòu)]。Martin等人進行的研究，他們用ZrH2納米顆粒涂覆7075和6061合金粉末，顯示出從柱狀晶粒到等軸晶粒的轉(zhuǎn)變，圖16(m和n)，其中ZrH2納米顆粒與鋁發(fā)生化學反應并形成Al3Zr顆粒。觀察到這些納米顆粒不僅改變了晶粒形態(tài)，而且還消除了熱裂紋，這是在構(gòu)建過程中沒有納米顆粒時觀察到的。

在T6狀態(tài)下，該無裂紋鑄件的UTS為400MPa，延展性低于6%。對添加Zr(Al-Mg-Zr，也稱為Addalloy™)的5系合金的研究表明，熔池邊界有晶粒細化，而在熔池中觀察到粗大的柱狀晶粒。深入表征表明初生Al3Zr析出物(100-400nm)是細小和等軸晶粒的形成原因，而柱狀晶粒沒有顯示Al3Zr成核粒子，這主要是由于凝固速度增加導致Zr溶質(zhì)捕獲。然而，這種不均勻性可以通過應用多次掃描來減少。這種變化是由于柱狀晶重熔形成了較淺的熔池，并在原始掃描中形成了等軸晶。

2.1.3 添加Sc

添加Sc也已被證明可以實現(xiàn)顯著的晶粒細化，尤其是對于Al-Mg合金。與添加Zr一樣，Sc在熔池邊界產(chǎn)生細小的等軸晶粒，柱狀晶粒向熔池中心生長。然而，加工條件也會影響微觀結(jié)構(gòu)的演變以及等軸晶粒結(jié)構(gòu)。AM合金中的Sc在鋁基體中往往具有較高的固溶度，隨著冷卻速率的增加，進一步允許用適當?shù)臒崽幚沓恋砑{米級的相干Al3Sc顆粒。Yang等人指出，建造平臺溫度增加到200°C會導致等軸晶粒的體積分數(shù)整體增加，但是當建造平臺溫度為35°C時，體積分數(shù)會減少。還觀察到當溫度高時等軸晶粒結(jié)構(gòu)的體積密度增加。圖16(i-l)說明了沒有Sc存在的柱狀結(jié)構(gòu)，以及添加Sc時的差異，其中當加熱到200°C時，在建造平臺上形成了均勻的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。Shi等人觀察到基板加熱的類似效果，但是他們沒有觀察到等軸微觀結(jié)構(gòu)。對于含有1wt%(Sc+Zr)的Al-6Zn-2Mg合金，Zhou等人觀察到由于Sc和Zr的存在，晶粒細化，等軸晶粒存在于熔池邊界，柱狀晶粒朝向中心。由于這些區(qū)域的溫度保持在約800°C，而納米尺度的Al3Sc沉淀物是穩(wěn)定的，因此在重熔界面周圍出現(xiàn)了等軸晶粒。在Scalmalloy®相發(fā)展的熱力學計算中，如圖10(b)所示，預測Al3Sc和Al3Zr相在初生Al相之前形成。如果熔池區(qū)域的溫度超過800°C，Al3Sc析出物表現(xiàn)出亞穩(wěn)態(tài)，導致柱狀生長。含有Sc的合金往往表現(xiàn)出低Q值，因此結(jié)構(gòu)過冷的發(fā)展可能不足以抑制柱狀生長，尤其是在熱梯度相對較高的情況下。然而，在重熔邊界處的晶粒細化現(xiàn)象(通過Al3Sc)有利于抑制熱撕裂的影響。

總之，大量可用的高強度鋁合金粉末不是專門為增材制造工藝設計的。這些鋁合金大部分是為直接直接冷卻(DC)鑄造和一套給定的熱機械加工路線(如均質(zhì)化-固溶熱處理、軋制和擠壓)而設計的，以實現(xiàn)所需的性能。因此，使用現(xiàn)有的傳統(tǒng)合金在快速凝固時可能會導致各種缺陷。因此，必須通過考慮PBF工藝的熱化學和熱機械方面來將特定添加劑加入現(xiàn)有合金中，以改變其凝固行為或設計新的高強度合金，以最大限度地減少缺陷形成并抵抗柱狀初生鋁的生長。文獻中探討了兩種方法：(i)在加工前通過添加Sc、Zr等合金元素異位定制粉末(ii)在打印過程中通過添加元素如Si、Ti(微米和納米級尺寸顆粒)以控制缺陷和細化晶粒。合金元素和合金設計的主要選擇標準是：

(i)  通過提高熔池的流動性來減少缺陷，如硅；
(ii) 通過形成或提供初生鋁的形核位點，如Al3Sc、Al3Zr、Al3Ti、Al3Nb和ZrH來細化晶粒(柱狀到等軸轉(zhuǎn)變，CET)；
(iii) 包晶或共晶反應過程中的相選擇；
(iv)合金凝固特性和固態(tài)轉(zhuǎn)變，降低了AM加工過程中的脆性溫度范圍；
(v) 提供沉淀強化(理想情況下通過消除應力退火)。

一個較好的選擇是在粉末原料中添加合金元素(異位)，這樣可以提供化學和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。然而，納米功能化方法(原位)也有許多優(yōu)點如可以提供預孕育材料并均勻地參與固化過程，在打印過程中不熔化的納米粒子可以作為成核粒子引入或生產(chǎn)金屬基復合材料(MMC)，無需專門批次的粉末即可進行可行性研究。

2.2 物理誘導力作用下的晶粒細化

在使用外力如超聲波，剪切和電磁場在傳統(tǒng)鑄造中不添加化學晶粒細化劑而獲得細化和均勻的微觀結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)進行了重要的研究。在鑄造過程中，由于難以在不污染合金的情況下處理大量熔體，限制了外場的廣泛適應性。然而，PBF中的熔池相對較小(寬度約為0.1-1.0毫米)，且總暴露時間較短。在焊接研究中，許多技術(shù)如高強度超聲處理、能源振蕩和能源脈沖已被用于細化微觀結(jié)構(gòu)和消除熱裂紋。相比之下，使用鋁、鈦、鎳、鋼和鎂合金在增材制造中進行的研究屈指可數(shù)。Zhang等人使用超聲波研究了AlSi12，并注意到相對密度從95.4%增加到99.1%，晶粒尺寸從277.5μm減少到87.5μm，并且拉伸性能顯著改善。Todaro等人研究了振動構(gòu)建板(20kHz，30μm振幅)，并清楚地證明柱狀晶粒被細小的等軸晶粒取代。雖然這兩項研究都顯示出了較好的的結(jié)果，但不能用這種方法來抑制構(gòu)建，這是避免扭曲的必要條件。此外，超聲或振動等物理場的應用在基于L-PBF的制造中可能存在問題。

因此，必須探索另一種途徑，如研究將超聲波探測器直接插入熔池(類似于電弧焊)的可行性，這樣就可以夾住AM構(gòu)建板。另一種可能的途徑是熱源的振蕩，在焊接時它可以產(chǎn)生20Hz的頻率和1–2mm的振幅。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)可以減小晶粒尺寸，增加熔池的均勻性，并抑制各種鋁合金的熱裂紋。

▲圖16-1 超聲對晶粒細化的影響示意圖

2.3 通過改變掃描方法來細化顆粒

幾項研究探索了L-PBF制造過程中的掃描方法。這些研究的動機最終是通過提高構(gòu)建密度來減少孔隙和殘余應力。然而，很少有實驗工作表明掃描方法會影響鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)。在L-PBF處理中，可以通過操縱艙口間距和層厚度來調(diào)節(jié)晶體紋理和微觀結(jié)構(gòu)的演變，因為這些參數(shù)直接影響相鄰軌道的部分重熔。這些凝固過程中的數(shù)字控制能夠產(chǎn)生具有細小等軸晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，而不會產(chǎn)生熱裂紋。如Thijs等人通過改變凝固過程中的熱梯度，用AlSi10Mg合金證明了這一概念。他們注意到掃描的角度或方向?qū)�L-PBF有很大影響，例如當層間掃描方向角度設置為90°時，紋理顯著減少，沿構(gòu)建方向出現(xiàn)弱立方體紋理。

但是，還需要對更多合金進行進一步的研究，并結(jié)合模擬，同時牢記大幅改變掃描方法的任何不利影響。此外，通過結(jié)合考慮G和R的空間變化和幾何形狀及掃描方法，深入了解PBF的微觀結(jié)構(gòu)進化也是非常必要的。值得一提的是，由于凝固生長方向與主要熱流方向不一致，以及金屬系統(tǒng)的其他復雜性，僅靠掃描方法可能無法控制凝固組織。

3. 用于增材制造的鋁粉原料

與其他粉末冶金工藝不同，粉末原料特性對AM加工零件的最終質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。粉末大小、形狀和分布是決定L-PBF適用性的最重要特征。這些可以直接影響粉末流動、堆積密度、熔池特性、表面粗糙度、缺陷、體積密度和機械性能。因此，必須具有一致的粉末特性，以確保最終構(gòu)建的一致和可靠的性能。Tan等人對AM的粉末原料進行了深入的文獻審查，涵蓋了單個粉末特性及其對建造的影響。

制造鋁金屬粉末的主要途徑是在惰性氣體環(huán)境(如Ar、He和N)中進行氣體霧化和等離子體霧化�？赡茏顝V泛使用的方法是鋁的氣體霧化，因為與等離子體相比，它更便宜。然而，關(guān)于等離子體霧化的報告描述了更高的球形度和尺寸均勻性，這最終有利于PBF。獲得的球形粉末相對于原料粉末具有更好的流動性和激光吸收性。可以通過改變霧化條件和改進霧化技術(shù)來調(diào)節(jié)鋁合金粉末的特性。

目前，最廣泛可用的鋁合金粉末原料是基于市售的鋁合金，但Scalmalloy®等合金除外，Scalmalloy®是一種AM特定合金，可在市場上從指定供應商處獲得。不幸的是，粉末原料通常很昂貴，而且種類不多，只有少數(shù)常見合金可以作為粉末使用，這種情況阻礙了鋁合金在增材制造中的應用。一種可行的替代方法是混合這些市售粉末原料，以產(chǎn)生所需合金成分的最終產(chǎn)品。然而，組合物的不均勻性和由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)特征是不可取的。

3.1 粉末形態(tài)對AM的影響

在粉末冶金中，與其他粉末特性相比，粉末粒度分布對填充行為的影響最大。不同的粉末尺寸用于不同的PBF工藝。如基于激光的工藝推薦的粉末尺寸為15-45μm直徑，而電子束工藝的推薦粉末尺寸為45-106μm。具有較寬粒經(jīng)分布(PSD)和可接受數(shù)量的細顆粒的粉末等級通常會產(chǎn)生較高的堆積密度。PSD可以在霧化后的各個階段發(fā)生變化，如在儲存期間、L-PBF加工(擴散)期間和粉末回收期間，這明顯會影響原料的性能。已經(jīng)提出了許多研究與PSD相關(guān)的粉末體積數(shù)學模型，目的是增加堆積密度。

研究表明，當填充效率較高時，粗粉基質(zhì)中的空隙數(shù)量普遍減少(圖17)。添加細顆粒填充松散顆粒網(wǎng)絡中的孔隙，從而提高填充效率。添加與顆粒間空隙大小相等的細顆粒后，堆積密度可以從74%增加到84%(圖17(a))。加入第三種組分可以進一步減少任何空隙，因此可以實現(xiàn)95.7%的高堆積密度。Olakanmi等人研究了鋁粉中的各種多模態(tài)混合物，在包含粗/中/細顆粒尺寸的三模態(tài)混合物中注意到，比例為5:2:1和75:20:5wt%，與尺寸為10-14μm的細顆粒尺寸相比，振實密度增加了3wt%。顆粒的球形度和形態(tài)很重要，因為這會影響粉末的堆積密度。

Muniz-Lerma等人研究了三種不同尺寸分布的AlSi7Mg粉末，并得出結(jié)論，由于表面能較高，細顆粒促進吸水和粉末結(jié)合，這最終與擴散和缺陷有關(guān)。然而，當窄PSD和大于48μm的顆粒使用時，吸水率降低，粉末結(jié)合力增加，粉末流動和密度增加。眾所周知，PSD對激光-粉末相互作用也有顯著影響。較大的顆粒需要更高的激光能量來誘導熔化，而較小的顆粒具有更大的表面積，有助于致密化動力學。通常，粉末床密度和零件密度之間似乎存在直接相關(guān)性，粉末具有更廣泛的粒徑范圍，可提供更高的粉末床密度并在低激光能量強度下產(chǎn)生更高密度的零件。Aboulkhaira等人研究了具有兩種不同形態(tài)的AlSi10Mg粉末(細長型與球形型)，并證明在相同條件下，與細長粉末(97.74%)相比，球形粉末可以實現(xiàn)更高的相對密度(99.6%)。然而，細長的粉末也能夠產(chǎn)生高密度的構(gòu)造，但需要仔細優(yōu)化。這是構(gòu)建具有一致性的高質(zhì)量組件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

此外，當粉末被回收時，PSD和粉末球形度會發(fā)生變化。這是因為當一些粉末顆粒融合但不粘附在建造元件上時，會形成不規(guī)則的聚集體。這對于重復構(gòu)建周期尤其成問題，其中PSD和球形度變化可能會干擾流動和填充性能。一種有效但耗時的措施是在循環(huán)之間篩分粉末。另一種鋁粉(微米級)的流動性可以通過表面改性實現(xiàn)，如附著納米顆粒(二氧化硅、二氧化鈦和炭黑)或化學(甲基三氯硅烷)。

▲圖17 (a)堆積密度和顆粒排列示意圖(b)顆粒組成與堆積密度示意圖

目前，針對鋁合金，已有一些有限的研究，以確定(i)粉末特性曲線(尺寸、形狀、分布、堆積密度、流變學)(ii)加工參數(shù)(激光輸出、掃描速度、掃描方法和平臺加熱)(iii)建造質(zhì)量(相對密度、缺陷類型、微觀結(jié)構(gòu))(iv)產(chǎn)生的機械性能。此外，關(guān)注單層和多層粉末之間堆積變化的研究，以及了解粉末床的整體性能，將是重要的。揭示這些變量之間的關(guān)系，以及它們?nèi)绾斡绊戣T件的最終質(zhì)量，將是改進粉末加工方法的重要一步。

3.2 污染對AM的影響
除了粉末形態(tài)外，粉末污染也是L-PBF中的一個潛在問題。鋁合金粉末固有的物理性質(zhì)帶來了一些挑戰(zhàn)。這些包括形成穩(wěn)定和粘附的表面氧化層以及粉末的高反射率和熱導性。盡管鋁粉的制造和L-PBF工藝可以在受控的惰性條件下進行(O2≪0.15%)，但在鋁表面形成氧化物是不可避免的，這是由熱力學和氧化鋁的鈍化性質(zhì)決定的。鋁粉顆粒很容易通過吸附的氣體、水分、有機物和其他仍然不可避免的夾雜物來產(chǎn)生污染。氧化作用通過在粉末表面形成氧化皮來阻礙零件固結(jié)，這會導致缺陷，如孔隙和裂紋，降低粉末流動性導致粉末堆積密度差，降低潤濕性導致形成層之間的附著力差，熔池破碎成液滴導致球化效應并增加零件的表面粗糙度，損害整體機械性能。

Hu等人研究了不同氧含量的AlCu5MnCdVa合金，他們的研究強調(diào)了控制大氣氧的重要性及其對機械性能的影響。對于鋁合金，氧含量的增加形成了大量的氧化物，使元件變脆。這個問題可能很嚴重，特別是對于薄片或熱裂敏感的合金，其中氧化物的形成更重要。另一種污染模式是由于粉末表面的水分吸附而形成氫氧化物，這通常發(fā)生在潮濕條件下。與在粉末表面固化的氧化層相比，吸附氫氧化物薄膜通常是硬而脆的，由于顆粒的團聚，破壞了粉末床內(nèi)的顆粒流動。在升高的溫度下水蒸氣壓的降低可以引發(fā)氫氧化物層的形成，最終在結(jié)晶過程中產(chǎn)生氧化物。氧化物的形成可以改變?nèi)紵�室的大氣條件，例如在激光與吸收的水層接觸期間氫原子的解離可以產(chǎn)生在熔體凝固過程中被截留的氣體，從而導致熔池飛濺。干燥步驟可用于幫助去除粉末中的殘留水分，據(jù)報道，這也可降低孔隙率并促進AlSi10Mg合金制造部件的相對密度>99%，這比沒有干燥步驟時獲得的密度更大，通過減少氧化物和氫氧化物形成的影響。

目前，嘗試探索和了解不同粉末條件下污染嚴重程度的文獻有限，需要進一步調(diào)查以建立良好的標準實踐，以產(chǎn)生一致的AM構(gòu)建，這是通過AM處理鋁的瓶頸之一。一些標準已經(jīng)發(fā)布用于AM行業(yè)，但仍然缺乏特定于鋁合金的已知標準。

4. 結(jié)論
由于鋁具有優(yōu)異的強度重量比和耐腐蝕性，所以鋁是僅次于鋼的第二大金屬。由于這些優(yōu)勢，加上其可制造性和可承受性，與其他材料如鈦和復合材料相比，鋁是航空航天和汽車應用中最具吸引力的材料之一。最近發(fā)表的關(guān)于AM與Al的作品反映了這一制造途徑的機遇和挑戰(zhàn)。在目前的文獻中，近共晶的AlSiMg合金已經(jīng)被深入研究，從材料原料到實際生活中的元件性能。然而，高強度鋁合金的研究量仍然很少，因為在高冷卻速率下合金凝固過程中存在熱裂紋的挑戰(zhàn)，正如在AM加工中所經(jīng)歷的那樣。根據(jù)本綜述所調(diào)查的文獻，可以得出以下結(jié)論：

(1)AlSiMg合金可以很容易地通過AM進行加工，并且在優(yōu)化的加工條件下可以達到幾乎完全的相對密度。然而，由于凝固過程中對熱裂紋敏感性較高，傳統(tǒng)的鍛造鋁合金(2系、6系和7系)難以通過L-PBF進行加工。

(2)與傳統(tǒng)的鑄件相比，通過L-PBF生產(chǎn)的AlSiMg合金顯示出更高的強度，這主要是由于在高冷卻速率和熱處理下的微觀結(jié)構(gòu)細化所致。在高冷卻速率下，打印樣品顯示出比平衡值更高的溶質(zhì)濃度，這需要比傳統(tǒng)實踐中通常使用的溶液熱處理時間更短。

(3)所有鋁合金都形成柱狀初生鋁晶粒，在構(gòu)造方向上具有<001>織構(gòu)。L-PBF的這種定向增長導致各向異性特性。采用不同的掃描方法，如改變艙口樣式和輪廓，會顯著改變紋理并降低各向異性。

(4)大多數(shù)鍛造鋁合金研究發(fā)現(xiàn)，由于熔池流動性的改善，硅的添加提高了合金的可打印性并抑制了熱裂紋。

(5)添加微量的Sc和/或Zr可以顯著提高合金的相對密度，產(chǎn)生良好的抗拉強度和延展性的結(jié)合，以及整體的可加工性。這些元素通過兩種方式實現(xiàn)這一目的：(i)在凝固過程中形成成核顆粒(Al3Sc和Al3Zr)，細化初生鋁晶粒并抑制熱裂紋(ii)在時效過程中形成納米析出物以提高合金的拉伸性能。AM特定的Scalmalloy®清楚地證明了這些元素在可鍛合金中的優(yōu)勢。其他晶粒細化顆粒，如TiB2、Al3Ti和溶質(zhì)，在抑制熱裂紋和提高鋁合金的拉伸性能方面也顯示出很好的效果。

(6)鋁的低吸收率和高熱導率需要高能量輸入來熔化鋁粉末。這會導致高蒸氣壓元素(如Zn和Mg)蒸發(fā)。這些元素的損失會增加L-PBF處理樣品內(nèi)的化學不均勻性，并影響固溶硬化和沉淀硬化。

(7)粉末特性(如形態(tài)、堆積密度、表面化學、氧含量和氫氧化物)對流動性有顯著的影響，誘發(fā)各種缺陷，最終導致相對密度低和機械性能差。

未來，需要更多的研究來克服在使用增材制造鋁合金中發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)既是科學的，也是技術(shù)的；如圖18所示的魚骨圖突出顯示了一些關(guān)鍵的問題。需要進行許多基礎(chǔ)工作來將凝固科學與冶金工藝聯(lián)系起來。因此，未來的研究應該關(guān)注許多領(lǐng)域。

▲圖18 魚骨圖說明了金屬增材制造中的關(guān)鍵科學和技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前，大多數(shù)高強度鋁合金研究都集中在現(xiàn)成的商業(yè)合金上，這些合金專為完全不同的加工路線而設計。在PBF中，這些合金經(jīng)歷了快速和重復的熱循環(huán)，這導致了常見缺陷的發(fā)生，如熱裂紋、未熔合、合金元素蒸發(fā)損失、殘余應力和不良的微觀結(jié)構(gòu)特征。為了利用PBF中快速凝固，迫切需要設計AM特定的高強度、高性能和高性價比的鋁合金，利用AM的獨特特性產(chǎn)生與傳統(tǒng)鋁合金相比優(yōu)越的性能。一個例子是與重復加熱相結(jié)合的高冷卻速率，這允許高水平的沉淀和分散顆粒形成。這對于晶粒細化以及提高機械性能是有用的。必須通過理解幾何-合金-加工-性能-表現(xiàn)關(guān)系來設計新合金，以滿足制造和性能一致性方面的工業(yè)需求。

此外，從之前的所有研究中可以清楚地看出，為了在AM中獲得高強度鋁合金中的細小、等軸晶粒，必須具有有效的成核劑或晶粒細化劑孕育劑顆粒，無論是外部添加的，還是在構(gòu)建過程中形成的高Q值的溶質(zhì)元素。有必要找到商業(yè)上可行的途徑，在粉末原料中以適當?shù)牧繐饺牒途鶆蚍植歼@些顆粒和/或元素。未來的研究可以探索掃描方法、物理誘導力和化學孕育的影響，這可能為商業(yè)需求提供理想的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。

許多現(xiàn)有的鋁增材制造挑戰(zhàn)可以使用數(shù)值模擬、數(shù)字孿生和機器學習以及閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)來解決。經(jīng)過深思熟慮的實驗和模擬相結(jié)合可以顯著減少測試中的試驗和錯誤，最終使我們能夠創(chuàng)建一個利于所有人的可靠的打印數(shù)據(jù)庫。

需要對鋁粉原料的作用進行深入研究，首先是提高具有合適形態(tài)的高質(zhì)量粉末的生產(chǎn)量，以在PBF過程中實現(xiàn)最佳的粉末性能。在文獻中，對粉末特性如何影響PBF加工樣品的工藝條件和后續(xù)機械性能的了解是有限的。此外，同樣重要的是，制定不同等級的粉末如何回收、處理和重復使用而不影響元件加工和性能的策略。

如果與供應鏈的兩端(粉末制造商和最終用戶)密切合作進行研究，將對鋁增材制造研究非常有益，它將迅速將基礎(chǔ)發(fā)展付諸實踐，并應加強鋁增材制造領(lǐng)域的知識。


文章來源：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