綜述：LPBF打印鋁合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能控制策略的最新進(jìn)展

來源:長三角G60激光聯(lián)盟

燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室、中國兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究所、阿爾泰國立技術(shù)大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員報道了LPBF打印鋁合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能控制策略的最新進(jìn)展研究。相關(guān)研究成果以“Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys”為題發(fā)表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

激光粉末床熔融（LPBF）是一種成型精度高、可打印復(fù)雜的金屬構(gòu)件的快速成型技術(shù)，可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。與其他金屬材料相比，采用LPBF技術(shù)制造的鋁合金零件由于材料和結(jié)構(gòu)的結(jié)合，能更好地實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，在LPBF工藝過程中，打印部件內(nèi)部容易形成球化、孔隙、粗晶粒和裂紋等許多冶金缺陷，導(dǎo)致鋁合金性能下降。為了解決上述問題，研究人員對改善LPBF制成的鋁合金零件的力學(xué)性能進(jìn)行了深入探索。本文從微觀結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控策略兩個方向探討了提高鋁合金成形質(zhì)量的方法。從工藝參數(shù)優(yōu)化、合金元素改性、強(qiáng)化相添加和后處理等方面探討了LPBF加工鋁合金的研究現(xiàn)狀。此外，還對LPBF加工鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。

圖1.LPBF在制備鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)中的典型應(yīng)用。

圖2.不同能量密度（a）、激光功率（b）和掃描速度（c）下樣品的密度。(d) 凝固示意圖。(e)不同工藝參數(shù)下獲得的三種單軌。(f)不同工藝參數(shù)下單軌的表面形貌。

圖3.LPBF使用的不同掃描策略示意圖。

圖4.LPBF成形后AlSi10Mg的三維示意圖、OM、SEM 和 EBSD 逆極圖（IPF）a成形0°、b 成形45°、c成形90°。

圖5.a-c Ar、d-f N2、g-i He下制造的Al-12Si樣品的OM圖像和斷口形貌。j-l不同氣氛下制造的Al-12Si樣品的相對密度、硬度和拉伸性能。

圖6.常見的光束整形方法。

圖7.a-d Zr改性前后的AA6061粉末；凝固示意圖；f添加Zr前后AA7075鋁合金的凝固行為；g Zr改性后AA7075的應(yīng)變行為。h AA2024、i Zr-AA2024、j AA6061、k Zr-AA6061的 EBSD取向圖和相應(yīng)的極圖。

圖8.LPBF制備的a,b AlSi10Mg/10SiC;c, d Al-Fe-Ni/TiB2;e, f Al-Si-Mg-Ti/TiC的晶粒形貌和力學(xué)性能。

圖9.a經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理和未經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理樣品的維氏硬度曲線。b,c經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理和未經(jīng)過強(qiáng)化處理樣品的EBSD橫向橢圓極圖。d-g經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理和未經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理樣品斷裂表面的橫截面圖。h, i經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理和未經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理樣品的 SEM圖像。

研究人員在工作中發(fā)現(xiàn)了幾種主要方法來改進(jìn)LPBF AM制造鋁合金部件。通過調(diào)節(jié)合金元素和添加強(qiáng)化相，在鋁合金基體中形成具有較高體積分?jǐn)?shù)和彌散分布的強(qiáng)化相。通過各種第二相之間的相互作用，進(jìn)一步提高了鋁合金對LPBF的適應(yīng)性。通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，可以抑制球化、孔隙和裂紋缺陷的形成。通過后處理工藝，改變了鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)，提高了鋁合金部件的力學(xué)性能，釋放了制造過程中產(chǎn)生的部分殘余應(yīng)力，改善了LPBF制備的鋁合金的工作性能和使用壽命。然而，LPBF鋁合金的開發(fā)仍面臨一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
1. LPBF過程中熔池的溫度變化是一個復(fù)雜的過程，也是影響鋁合金LPBF成形質(zhì)量的決定性因素。溫度場與成形質(zhì)量之間的關(guān)系尚未得到明確探討，因此有必要系統(tǒng)研究LPBF過程中熔池的非平衡冶金過程。未來的研究應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)時監(jiān)測方法，來精確控制和優(yōu)化熔池內(nèi)的溫度分布，從而改善材料的最終性能。

2.LPBF的生產(chǎn)效率較低。如果要提高生產(chǎn)效率，就會影響成型的質(zhì)量和精度，因此需要有效的手段來解決二者之間的矛盾。用LPBF制作的鋁合金部件難以直接應(yīng)用于工程，生產(chǎn)工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。未來的研究可以重點(diǎn)關(guān)注提高激光掃描速度和粉末利用率的方法，同時開發(fā)新的工藝，在不影響質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率。

3.目前，鋁合金中各種第二相的優(yōu)化機(jī)理尚未得到明確解釋，因此有必要建立不同的強(qiáng)化機(jī)理和強(qiáng)度提升理論模型，以進(jìn)一步揭示鋁合金的協(xié)同強(qiáng)化和增韌機(jī)理。未來的挑戰(zhàn)包括更深入地了解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，以及如何通過控制第二相的分布和形態(tài)實(shí)現(xiàn)最佳性能。這需要跨學(xué)科合作，開發(fā)更具預(yù)測性和指導(dǎo)性的模型，以支持高性能鋁合金的設(shè)計和制造。

此外，未來的研究還應(yīng)關(guān)注LPBF技術(shù)在更廣泛工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的可擴(kuò)展性，包括汽車、航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。研究人員應(yīng)探索材料設(shè)計和工藝創(chuàng)新如何克服當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，推動 LPBF技術(shù)的廣泛工業(yè)化。


論文鏈接：

Wang, H., Wang, X., Zou, J. et al. Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys. Int J Adv Manuf Technol 134, 4015–4039 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14395-w