一文解讀鋁合金增材制造技術(shù)

來(lái)源：材料工程

鋁合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，塑性好，優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶艦艇等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)鋁合金加工工藝主要采用熔煉、鑄造和鍛造等手段，但是隨著產(chǎn)品技術(shù)水平的不斷提高和研制周期的不斷縮短，對(duì)制造復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)的鋁合金構(gòu)件也提出了新的要求，不僅要求制造技術(shù)高效、快速，而且還要具有隨裝備設(shè)計(jì)變化而變化的快速響應(yīng)能力，以及對(duì)復(fù)雜精密構(gòu)件生產(chǎn)制造的靈活適應(yīng)性�；�于上述現(xiàn)狀，使用3D打印技術(shù)制造鋁合金結(jié)構(gòu)件成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，3D打印又稱(chēng)為增材制造，是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，并在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和軌道交通等多個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。增材制造特點(diǎn)是單件或小批量的快速制造，通過(guò)層層構(gòu)建實(shí)體零件，增加了設(shè)計(jì)自由度和制造靈活性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的復(fù)雜幾何圖形定制，縮短了市場(chǎng)時(shí)間，同時(shí)消除了傳統(tǒng)的規(guī)模限制。

由于工作原理和熱源類(lèi)型的不同，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁合金增材制造技術(shù)的工藝方法主要有激光增材制造技術(shù)（Laser additive manufacturing，LAM）、電弧增材制造技術(shù)（Wire and arc additive manufacturing，WAAM）、電子束增材制造技術(shù)（Electron beam additive manufacturing，EBAM）、超聲波增材制造技術(shù)(Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM)和攪拌摩擦焊增材制造技術(shù)(Friction Stir Additive Manufacturing，F(xiàn)SAM)，本文針對(duì)這5種不同的工藝特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1 鋁合金激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)是以激光為熱源，該技術(shù)具有成形精度高、內(nèi)部缺陷少、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。激光增材制造鋁合金時(shí)多采用鋁合金粉末為原料，這就導(dǎo)致了粉末間隙的不確定性從而導(dǎo)致成形件致密度受到影響，并且大多數(shù)鋁合金對(duì)激光的反射率很高，使得激光的利用率較少，目前局限于鑄造鋁合金或者焊接性較好的鋁合金。按照成形原理，鋁合金激光增材制造技術(shù)主要分為同步金屬粉末送給的激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming， LMDF）技術(shù)和以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術(shù)。

SLM制造動(dòng)圖

激光金屬直接成形

2 鋁合金電弧增材制造技術(shù)
電弧增材制造技術(shù)是通過(guò)同步熔絲逐層累加的方法進(jìn)行的增材制造技術(shù)，由于焊接電弧的特點(diǎn)，主要用于制造超大型較復(fù)雜零件的成形，材料利用率高、設(shè)備成本低、成形結(jié)構(gòu)大，但是由于熱輸入量較大，成形件表面質(zhì)量和成形精度很差，需要進(jìn)行較多的后續(xù)加工。未來(lái)針對(duì)鋁合金電弧增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，如何減小熱輸入量，提高成形精度和質(zhì)量是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

鋁合金電弧增材制造成形件

3  鋁合金電子束增材制造技術(shù)
電子束增材制造技術(shù)根據(jù)填充材料的不同，主要分為電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron Beam Selective Melting，EBSM）和電子束熔絲增材制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）。        

EBSM技術(shù)是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成形材料，高速掃描加熱，逐層熔化疊加，獲得金屬零件，不過(guò)EBSM技術(shù)存在金屬粉末材料制備成本較高、易受污染、利用率低、清理工作繁瑣、難以制造大尺寸零件等不足之處。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)

EBFF技術(shù)與其他增材制造技術(shù)一樣，通過(guò)高能電子束對(duì)同步送進(jìn)的絲材進(jìn)行熔化，按照CAD模型的特定加工路徑進(jìn)行分層制造，逐層堆積，直至形成致密的金屬零件。該工藝具有成形速度快、保護(hù)效果好、材料利用率高、能量轉(zhuǎn)換率高等特點(diǎn)。

電子束熔絲增材制造技術(shù)

4 鋁合金超聲波增材制造技術(shù)
鋁合金超聲波增材制造技術(shù)采用大功率超聲能量，利用鋁合金層與層之間振動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，促進(jìn)界面間金屬原子相互擴(kuò)散并形成固態(tài)物理冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)增材制造成形。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)固態(tài)成形，溫度低，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

(2)制造過(guò)程中不產(chǎn)生焊渣、廢液、有害氣體等污染物，原材料易得，成本低廉。

(3)不需要高溫環(huán)境，也不會(huì)造成合金元素的揮發(fā)，且不影響連接的性能。

(4)制造過(guò)程中鋁箔材表面的氧化膜可以被超聲波擊碎清除。

(5)可以實(shí)現(xiàn)梯度功能材料的制備。

超聲波增材制造工藝

鋁合金超聲波增材制造技術(shù)還存在一些不足，由于目前超聲波功率的限制，只能對(duì)厚度較小的鋁箔進(jìn)行快速成形，未來(lái)需要大幅提高超聲波換能器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)大厚度和高強(qiáng)度金屬板材的增材制造。


5 鋁合金攪拌摩擦焊增材制造技術(shù)

攪拌摩擦焊增材制造技術(shù)是基于攪拌摩擦焊發(fā)展起來(lái)的一種新型的增材制造方法。鋁合金攪拌摩擦焊增材制造是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入鋁合金板材后以一定的行進(jìn)速度沿既定方向運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭與鋁合金板材的接觸部位產(chǎn)生摩擦熱，使鋁合金板材塑化軟化，塑化金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)作用下填充攪拌針后方的空腔，形成一層增材區(qū)之后在上面繼續(xù)疊加一層基材，并按照相同的路徑和增材間距重復(fù)上述操作。該技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金成形件熱影響區(qū)微觀組織變化小，殘余應(yīng)力較低，不易變形，無(wú)需去除氧化膜，不需要保護(hù)氣體，成本低。

攪拌摩擦焊增材制造技術(shù)示意圖

目前，鋁合金增材制造技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鋁合金增材制造技術(shù)具有復(fù)雜精密成形與輕量化設(shè)計(jì)等顯著優(yōu)勢(shì)，目前主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1) 開(kāi)發(fā)鋁合金增材制造新方法，進(jìn)一步探究鋁合金增材制造中“工藝-組織-性能”之間的內(nèi)在聯(lián)系。闡明鋁合金增材制造構(gòu)件應(yīng)力形成機(jī)理，提出有效控制增材構(gòu)件殘余應(yīng)力水平及分布的方法，為大型復(fù)雜鋁合金增材制造構(gòu)件的制備提供指導(dǎo)。

(2) 揭示鋁合金增材制造中微熔池傳質(zhì)、非平衡凝固及冷卻過(guò)程的物理冶金機(jī)理及相變行為，實(shí)現(xiàn)鋁合金增材制造微觀組織控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，控制及預(yù)測(cè)鋁合金增材制造溫度場(chǎng)分布規(guī)律，控制增材熱過(guò)程。

(3) 進(jìn)一步開(kāi)發(fā)增材制造+銑削加工（精密加工）一體化設(shè)備，提高鋁合金增材制造構(gòu)件的成形精度，實(shí)現(xiàn)鋁合金構(gòu)件的精密加工。通過(guò)工藝優(yōu)化及設(shè)備升級(jí)，徹底消除鋁合金增材制造構(gòu)件氣孔缺陷，提高致密度，改善綜合力學(xué)性能。