武漢理工&華科大 | 耐熱鋁合金增材制造研究進展

來源： 極端制造 IJEM
作  者：吳超群、文鑒宇、張金良、宋波、史玉升
機  構(gòu)：武漢理工大學(xué)、華中科技大學(xué)
地  址：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad7f2e

航空航天、汽車等高端制造領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的輕量化、復(fù)雜化、整體化需求日益增長，鋁合金增材制造技術(shù)已成為解決輕質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件整體成形難題的有效途徑�，F(xiàn)有關(guān)鍵零部件的高溫服役需求與應(yīng)用場合逐漸增加，但常規(guī)鋁合金在中高溫區(qū)間（250-450°C）強化相快速粗化甚至溶解，屈服強度發(fā)生斷崖式下降，無法滿足耐熱結(jié)構(gòu)件的使役要求，轉(zhuǎn)而采用成本更高、質(zhì)量更重的鈦合金替代。因此，亟需研發(fā)面向增材制造的耐熱鋁合金，實現(xiàn)“以鋁代鈦”，滿足構(gòu)件輕量化和經(jīng)濟性的雙重需求。目前耐熱鋁合金增材制造已成為增材制造領(lǐng)域的研究熱點之一，初步形成了適用于增材制造工藝特點的成分設(shè)計策略與合金體系，并圍繞打印/調(diào)控工藝、耐熱相形成與高溫性能及其強化機制開展了廣泛研究。

近期，武漢理工大學(xué)吳超群教授、文鑒宇碩士生、張金良教授（通訊作者），與華中科技大學(xué)宋波教授、史玉升教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表了題為《耐熱鋁合金增材制造研究進展》的綜述論文。該論文重點介紹了提升增材制造耐熱鋁合金打印性能的設(shè)計策略，并對比介紹了現(xiàn)有不同鋁合金體系的可打印性、微觀組織、高溫力學(xué)性能和強化機理。最終從合金設(shè)計、工藝創(chuàng)新和性能評估三個方面對該領(lǐng)域進行了展望，為耐熱鋁合金增材制造的發(fā)展提供了新的見解。

圖1  增材制造耐熱鋁合金的挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

研究背景
耐熱鋁合金增材制造面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，且在目前應(yīng)用廣泛的激光增材制造技術(shù)中尤為明顯。

一是增材制造成形難題。一方面，鋁合金作為一種典型的激光難加工材料，具有高激光反射率、高導(dǎo)熱系數(shù)和寬凝固溫度范圍，在打印過程中存在能量利用率低、熱分布不均勻、固液共存凝固控制難等難題，極易形成裂紋。另一方面，高能束-鋁合金原材料交互作用形成的微熔池冷卻速率較高，構(gòu)件具有較高的殘余應(yīng)力水平，打印或后期機械加工時極易開裂。綜上，由于鋁合金特性和增材制造工藝原理的雙重約束，鋁合金增材制造面臨工藝穩(wěn)定性難控制、裂紋缺陷難抑制的技術(shù)瓶頸。

二是高溫性能提升難題。耐熱鋁合金的高溫性能主要取決于耐熱相的形成。增材制造激熱快冷的工藝特點導(dǎo)致大量合金元素固溶于過飽和鋁基體中，形成的非平衡非均勻組織與鑄、鍛態(tài)組織差異顯著，物相組成復(fù)雜。因此，在滿足打印性能的基礎(chǔ)上，進一步利用增材制造的非平衡凝固特性，設(shè)計并調(diào)控耐熱相的析出，研發(fā)出面向增材制造工藝特點的耐熱鋁合金，是解決高溫性能提升難題的關(guān)鍵。

最新進展
面對需要同時滿足打印性能與高溫性能的雙重挑戰(zhàn)，增材制造高溫鋁合金的研發(fā)主要有兩種思路：①構(gòu)建共晶凝固體系，②孕育處理。添加孕育劑和共晶體系的鋁合金均能夠在較大工藝窗口下實現(xiàn)高致密度成形，隨后通過合金元素的篩選，實現(xiàn)良好的耐熱性能，已成為當(dāng)前解決耐熱鋁合金增材制造難題的重要手段。

孕育處理體系：孕育劑輔助鋁合金通常通過預(yù)合金化或Sc、Zr、Ti等元素與合金粉末混合制備。在增材制造過程中，優(yōu)先析出的L12結(jié)構(gòu)Al3X相能夠作為異質(zhì)形核顯著細(xì)化晶粒并釘扎于晶界。此外，添加TiB2、SiC或TiCN等陶瓷顆粒也能產(chǎn)生類似效果。目前應(yīng)用最普遍的孕育劑是價格昂貴的Sc元素，它不僅確保合金的良好打印性能，還大幅提升了制備產(chǎn)物的耐熱性與強度。當(dāng)前研究已在通過Ti、Zr、Si等元素完全或部分替代Sc方面取得了一定進展。

共晶凝固體系：增材制造耐熱鋁合金的共晶體系主要包括Al-Ce、Al-Fe和Al-Ni合金。這些合金在增材制造過程中形成的大體積分?jǐn)?shù)金屬間化合物（如Al11Ce3、Al3Ni和Al6Fe）不僅賦予材料良好的打印性能，還具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。然而，二元共晶合金的強度較低。為此，研究者通過設(shè)計三元體系（如Al-Ce-Ni、Al-Ni-Cu）并引入Mn、Mg等常見鋁合金元素進行改性，或進一步添加Sc、Zr等孕育劑細(xì)化晶粒，顯著提升了其強度。共晶凝固體系利用了增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，是具有前景的體系。

圖2  孕育劑的晶粒細(xì)化效果。(a) 常規(guī)粉末與功能化粉末成形的差異。(b) 增材制造鋁合金成形過程中的異質(zhì)成核。(c) 常規(guī)合金的柱狀晶粒對比孕育劑輔助合金的無裂紋等軸晶粒。

圖3  增材制造共晶鋁合金。(a) 二元Al-Si合金制備態(tài)下的裂紋。(b) 二元Al-Fe合金相圖及其性能。(c) 二元Al-Ni合金在增材制造凝固過程中的組織演變。

圖4  增材制造耐熱鋁合金性能匯總。

未來展望
雖然增材制造耐熱鋁合金的開發(fā)已取得一定進展，但現(xiàn)有的材料改性方法主要基于經(jīng)驗，缺乏對性能的有效預(yù)測；此外，絕大部分增材制造耐熱鋁合金均采用PBF-LB（激光粉末床熔化增材制造）方式制備，存在局限性；而性能評估多集中于高溫拉伸性能，較少關(guān)注高溫蠕變、疲勞和耐腐蝕等關(guān)鍵應(yīng)用性能。針對這些問題，本文做出了如下展望。

在合金設(shè)計方面，(1) 機器學(xué)習(xí)可通過缺陷檢測和性能預(yù)測等方式促進耐熱鋁合金的開發(fā)；(2) 相場模擬能定量預(yù)測制備以及后續(xù)熱處理過程中產(chǎn)物的微觀組織變化，為合金開發(fā)和熱處理設(shè)計提供指導(dǎo)；(3) 有限元分析可模擬熔池的溫度場、應(yīng)力場的動態(tài)變化，有助于揭示增材制造過程中的冶金行為。

在工藝創(chuàng)新方面，(1) 復(fù)合熱源增材制造技術(shù)（如激光/電弧復(fù)合）能夠結(jié)合多種工藝的優(yōu)勢，有望進一步改善制備產(chǎn)物的組織與性能；(2)通過引入磁場、超聲波等輔助能量場，有望通過影響熔體動力學(xué)、應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)演變，進而提升合金的可打印性和性能。

在性能評估與后處理方面，(1) 應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用場景，全面評估耐熱鋁合金的高溫性能；(2) 有必要開發(fā)適用于增材制造耐熱鋁合金的熱處理體系，以優(yōu)化目標(biāo)相和微觀結(jié)構(gòu)。

作者簡介

吳超群
武漢理工大學(xué)

吳超群，武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院院長，教授，湖北省楚天學(xué)者特聘教授。主要從事機器人加工、功率超聲波、振動與噪聲控制等相關(guān)研究。主持國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研、湖北省科技創(chuàng)新重大專項等研究項目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利31項，計算機軟件著作權(quán)11項。研究成果獲湖北省科技進步一等獎1項（序1），中國發(fā)明協(xié)會創(chuàng)新一等獎1項（序2），湖北省高等學(xué)校教學(xué)成果二等獎2項。

張金良
武漢理工大學(xué)

張金良，武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院特設(shè)教授，湖北省楚天學(xué)者，從事金屬增材制造研究。近5年以第一/通訊作者發(fā)表高水平論文16篇，其中ESI Top Article Award 1篇，ESI熱點論文1篇、高被引論文2篇、期刊封面論文3篇，總引用2000余次。第二主編出版《增材制造技術(shù)》教材1部，入選“十三五”國家重點出版規(guī)劃項目現(xiàn)代機械工程系列精品教材。牽頭制定團體標(biāo)準(zhǔn)1項，授權(quán)發(fā)明專利3項。擔(dān)任《Advanced Powder Materials》《Rare Metals》《Journal of Central South University》等期刊青年編委，SCI期刊《Symmetry》客座主編。主持國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、JG橫向等項目。研究成果獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎（序6）、2021中國有色金屬十大進展（序2），中國有色金屬優(yōu)秀博士論文獎。

宋波
華中科技大學(xué)

宋波，華中科技大學(xué)教授，博導(dǎo)。圍繞先進材料設(shè)計、超結(jié)構(gòu)設(shè)計及其增材制造技術(shù)開展研究�？萍疾恐攸c研發(fā)計劃項目、國家自然基金委優(yōu)秀青年基金、教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團隊負(fù)責(zé)人。2023年愛斯維爾中國高被引學(xué)者、2022年中國機械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、2023年中國有色金屬學(xué)會爭先創(chuàng)新團隊負(fù)責(zé)人、美國斯坦福大學(xué)2021，2022年度全球前2％頂尖科學(xué)家。出版中英文專著4部，累計在《Materials Today》《Nature Communications》《Advanced Functional Materials》《Acta Materialia》等期刊發(fā)表論文130余篇，SCI他引4000余次，主辦“第一屆全國4D打印論壇”系列會議。以第一獲獎人分別獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎、2022機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎、2021、2023中國有色金屬十大科技進展。

史玉升
華中科技大學(xué)

史玉升，華中科技大學(xué)華中學(xué)者領(lǐng)軍崗特聘教授�，F(xiàn)任中國有色金屬學(xué)會增材制造分會主任委員、中國材料學(xué)會增材制造材料分會主任委員、中國航天科技集團增材制造工藝技術(shù)中心專家委員會主任、長江學(xué)者創(chuàng)新團隊負(fù)責(zé)人等職務(wù)。主要從事增材制造專用材料的制備與成形技術(shù)。成果獲發(fā)明專利399件，主撰著作/教材9部，發(fā)表論文704篇。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項（排1）、國家科技進步二等獎2項（排1、排3）、中國十大科技進展和中國智能制造十大科技進展各1項（均排1）、省部級一等獎10項（6項排1）；獲全國創(chuàng)新爭先獎狀、十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎、中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎、湖北省五一勞動獎?wù)�、武漢市科技重大貢獻個人獎等稱號。