吳鑫華院士團(tuán)隊(duì)：突破含Sc高強(qiáng)鋁合金大層厚高效率3D打印難題

導(dǎo)讀：含Sc高強(qiáng)鋁合金用于航空航天領(lǐng)域，可達(dá)到進(jìn)一步減重的目的，因?yàn)橥ǔ?D打印的AlSi10Mg合金屈服強(qiáng)度只有260MPa, 這種新型材料屈服強(qiáng)度大于500Mpa，在保證使用性能的條件下，可大幅減小結(jié)構(gòu)件的材料用量，從而達(dá)到減重的目的。

2023年9月8日，南極熊獲悉，針對含Sc高強(qiáng)鋁合金大層厚高效率激光粉末床熔融的最新研究成果“Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion”，于2023年8月29日在《Virtual and Physical Prototyping》（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.6）期刊發(fā)表，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

航空航天結(jié)構(gòu)件由于激光粉末床熔融（LPBF）制備金屬材料層厚較低（一般為30 μm層厚），制備效率低，成本高等問題阻礙了其應(yīng)用。為了降低 LPBF 制備高強(qiáng)鋁合金的成本，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長吳鑫華院士團(tuán)隊(duì)與北京工業(yè)大學(xué)、汕頭大學(xué)、澳大利亞伊迪斯·科文大學(xué)、澳大利亞Monash大學(xué)、東南大學(xué)等單位合作開展針對含Sc高強(qiáng)鋁合金大層厚高效率激光粉末床熔融的研究，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋁合金大層厚粗粉末粒徑高效率3D打印的突破。據(jù)查，北京工業(yè)大學(xué)的張昊（博士研究生）為論文的第一作者，澳大利亞伊迪斯·科文大學(xué)張來昌教授與汕頭大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系的曹晟副教授為論文的通訊作者，吳鑫華院士為論文的共同作者。

△圖1 蘇州倍豐智能科技有限公司生產(chǎn)的激光粉末床 Ampro SP260設(shè)備

在制備大層厚過程中，大多數(shù)機(jī)器會存在難成型，成型質(zhì)量差問題。相比之下，該工作利用的蘇州倍豐智能科技有限公司產(chǎn)激光粉末床設(shè)備Ampro SP260。在使用低成本粗粉的前提下，能夠高效率制備出大層厚的高強(qiáng) Al-Mn-Sc合金。在 120 μm 層厚的情況下，實(shí)現(xiàn)了>99.2% 的相對密度。此外，在后續(xù)熱處理后試樣中，屈服強(qiáng)度30 μm 層厚為502MPa，120 μm 層厚為472MPa。120 μm 層厚的樣品仍然表現(xiàn)出較高的拉伸屈服強(qiáng)度和約 10% 的延伸率。

這項(xiàng)研究成功地證明了在 LPBF 工藝中采用大層厚高效率制造高強(qiáng) Al-Mn-Sc 合金的可行性，而用低成本粗粉以大層厚高效率打印高強(qiáng) Al-Mn-Sc 合金航天航空結(jié)構(gòu)件的解決方案，不但增加了高強(qiáng) Al-Mn-Sc 合金在航空航天的應(yīng)用的前景，更加強(qiáng)了3D打印同行的成本和技術(shù)的競爭力。

△圖 2. 激光粉末床制備樣品中的缺陷三維可視化（a 和 c）和垂直投影觀察（b 和 d），顯示了 30 μm（a-b）和 120 μm（c-d）樣品的 μ-CT 圖像重建的孔隙形態(tài)和分布。

這項(xiàng)工作獲得了不同層厚（30 μm、60 μm、90 μm 和 120 μm）條件下激光粉末床制備 Al-Mn-Sc 合金的加工工藝窗口，并研究了熱處理試樣的微觀組織和機(jī)械性能。論文得出以下結(jié)論：

(1) 在所有層厚條件下試樣均達(dá)到了較高的相對致密度。層厚為 120 μm 試樣的相對密度為 99.2%。
(2) 經(jīng) LPBF 打印和后熱處理的 Al-Mn-Sc 合金具有典型的雙峰等軸晶柱狀晶顯微組織。等軸晶粒和柱狀晶粒的尺寸隨層厚的增加而略有增大，這歸因于大層厚時(shí)冷卻速度的降低。
(3) 這項(xiàng)研究提供了一種大層厚高效率LPBF制造的方法，在120 μm 層厚的條件下制備出強(qiáng)度高（屈服強(qiáng)度為 472 MPa）、延展性好（斷后延伸率為 9.8%）的 Al-Mn-Sc 合金。

△圖 3. (a) 不同層厚的熱處理后 Al-Mn-Sc 合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及試樣的拉伸斷裂面：(b)-(c) 30 μm和 (d)-(e) 120 μm。

△圖 4. (a) Al-Mn-Sc合金與其他激光粉末床制備的鋁合金打印速率；（b）Al-Mn-Sc與其他激光粉末床制成的鋁合金的屈服強(qiáng)度。

論文原文

Zhang H, Zhang L C, Liu H Y, Niu X D, Lan M C, Zhang W Z, Jin X J, Chu F Z, Wu X H, Cao S. Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18(1): e2250769.
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769

作者簡介

吳鑫華，曾任蒙納士大學(xué)副校長、現(xiàn)為蘇州大學(xué)金屬材料與智能制造研究院院長、講席教授、博士生導(dǎo)師，澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長，是世界公認(rèn)的3D打印技術(shù)開創(chuàng)者之一。在3D打印的設(shè)計(jì)、材料、工藝和性能優(yōu)化領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了金屬3D打印從科學(xué)原創(chuàng)性概念到應(yīng)用上可行的生產(chǎn)制造。從事航空材料和3D打印研究30余年致力于金屬3D打印基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣，創(chuàng)立了3D打印材料和工藝的系統(tǒng)性研究方法，開發(fā)了世界首個(gè)3D打印專用高強(qiáng)鋁合金和超高強(qiáng)鈦合金；承擔(dān)國際重大科研項(xiàng)目60余項(xiàng)，和世界20多家國際著名航空企業(yè)（包括英國羅爾斯－羅伊斯，空客，龐巴迪，賽峰（法國和中國），中國商飛，中國航發(fā)，中國重燃和中廣核）有過長期的戰(zhàn)略合作，解決航空、燃機(jī)、核電領(lǐng)域的高端制造難題。開創(chuàng)國內(nèi)民航金屬3D打印鈦合金零件適航認(rèn)證和裝機(jī)應(yīng)用先河；為中國重燃“兩機(jī)重大專項(xiàng)”項(xiàng)目解決燃燒室噴嘴、透平葉片等關(guān)鍵部件3D打印難題；實(shí)現(xiàn)國內(nèi)核電領(lǐng)域3D打印技術(shù)首次成果認(rèn)定并示范應(yīng)用。出版5部著作，發(fā)表210余篇SCI 期刊論文，他引11081次，H指數(shù)58，授權(quán)25項(xiàng)國際和6項(xiàng)國內(nèi)專利。

張來昌，澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)終身教授。張來昌教授長期從事新型材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，主要包括：亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能；多尺度材料的合成與性能；3D打印技術(shù)在新材料中的應(yīng)用；新型功能材料。已主持和參加澳大利亞研究理事會項(xiàng)目等研究項(xiàng)目20余項(xiàng)。迄今為止，他已經(jīng)出版英文專著2本、書籍章節(jié)19章，發(fā)表在Advanced Materials（《先進(jìn)材料》，影響因子21.95）、Advanced Functional Materials（《先進(jìn)功能材料》，影響因子13.32）、Acta Materialia（《材料學(xué)報(bào)》，影響因子6.036）、Scripta Materialia （《材料快報(bào)》，影響因子4.163）等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文200余篇，約15篇學(xué)術(shù)文章被評為ESI“熱點(diǎn)文章”及ESI“高被引用文章”。部分研究成果已經(jīng)在澳大利亞國家電視臺（ABC）新聞頻道直播采訪、我國中央電視臺（CCTV-4）和新華社等知名媒體報(bào)道。

曹晟，汕頭大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)椋航饘俨牧显霾闹圃旒夹g(shù)。本科畢業(yè)于中南大學(xué)，博士畢業(yè)于澳大利亞Monash大學(xué)，先后在澳大利Monash大學(xué)與英國曼徹斯特大學(xué)從事博士后研究。2021年以卓越人才計(jì)劃-優(yōu)秀人才入職汕頭大學(xué)。主持項(xiàng)目包括國家自然科學(xué)基金(青年科學(xué)基金項(xiàng)目)、廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)與廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（自然科學(xué)）等課題。目前在Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Materials Science & Technology等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文四十余篇，Google Scholar 引用1200余次，h-index 16, 授權(quán)專利6項(xiàng)。

技術(shù)支持—蘇州倍豐智能科技有限公司

蘇州倍豐智能科技有限公司，坐落于富饒美麗的蘇州，由鈦合金和增材制造專家一一吳鑫華院士一手創(chuàng)立，是一家專業(yè)從事工業(yè)級金屬3D打印設(shè)備、打印材料工藝研發(fā)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，同時(shí)為客戶提供3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)咨詢和助力科研服務(wù)。目前，蘇州倍豐金屬3D打印設(shè)備覆蓋SP100-1200mm全幅面，實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)從設(shè)計(jì)到軟件完全自主產(chǎn)權(quán)的共6個(gè)尺寸大小的打印主機(jī)；配置全流程惰性氣氛保護(hù)且密封適合國際適航要求的3D打印金屬粉末前、后處理系統(tǒng)。同時(shí)公司開放擁有獨(dú)特的復(fù)合增材制造裝備、激光焊機(jī)、其他焊機(jī)、相關(guān)產(chǎn)品的智能制造裝備，科研服務(wù)及耗材相關(guān)技術(shù)的咨詢等服務(wù)項(xiàng)目。合作歡迎致電：4001185365。