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根据3D科学谷的市场了解，尽管与其前身波音777相比，铝的使用量有所减少（从 50% 下降），但铝仍然在飞机机身的大多数前缘以及尾翼和水平稳定器中发挥着关键作用。因此，采用粉末床熔化或定向能量沉积工艺的增材制造 (AM) 技术加工铝合金对于制造传统和新型飞机部件非常重要。
根据德克萨斯大学的专利，研究人员提出了一种使用增材制造形成无裂纹铝合金结构的方法。本期谷.专栏，将分享这一科研成果的主要介绍。
铝合金系列
© 3D科学谷白皮书
实现铝合金产品复杂形状
铝合金6601（AA6061）是一种可热处理材料，主要由铝、硅和镁组成，并含有少量铁、铜、铬、锌、锰和钛。该材料的常见应用包括制造飞机和汽车部件。传统上，AA6061 是铸造然后使用轧制、锻造或挤压成型的。该合金通过适当的填充材料提供了良好的机械加工性能和可焊性，尽管最大抗拉强度降低到退火条件下的抗拉强度，从 210 MPa 的回火强度降低到 120 MPa。
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然而，传统的成型技术，如轧制、锻造和挤压，在充分利用高强度重量比、耐腐蚀性和导热性（高达 167 W/mK）的理想组合的同时，还没有完全实现复杂的几何形状。也就是说，传统的成型技术无法或难以实现复杂的内腔、随形冷却和薄壁特征。
此外，AA6061 铝合金的铸造过程困难，AA6061 易于热裂。热裂与合金成分具有确定的相关性。AA6061属于Al–Mg–Si–Fe-Ti系。据报道，在 0.3-0.4% Fe、0.5% Mg、0.5% Si 和 0.15% Ti 时具有接近 AA6061 的最大热裂敏感性。
预热与工艺控制的配合
德克萨斯大学的专利US 20190039183 A1（Method and system for powder bed fusion additive manufacturing of crack-free aluminum alloys）旨在解决这样的问题，使得制造的部件不表现出开裂并保持相对高的密度。铝合金粉末包括AA6061、AA2014、AA2017、AA2024、AA2219、AA5083、AA7050、AA7075、AA7150、AA7178或AA7475。
该专利通考虑到液态金属的表面张力通过驱动晶界的润湿性和枝晶间液态金属流动来影响凝固裂纹。专利提出了在激光熔化之前和期间使用感应加热来加热粉末床的方法。粉末床的高温降低了凝固速率，确保了更一致的凝固以消除热撕裂。
由于铝合金前体粉末已经处于高温状态并且需要较少能量来熔化金属，因此需要较少的激光功率，与不包括加热粉末床的系统相比，飞溅（即从激光加工区域喷出的粉末颗粒）的发生会减少。以这种方式，粉末的使用效率更高，因为它不会被高功率激光溅射和损坏，从而导致粉末浪费。
通过扫描策略、功率调制和动态参数变化提供了更精确地控制粉末/零件温度的手段。光学高温计、红外成像（IR 摄像机）、热电偶可单独或组合使用来监测和控制粉末温度。最好使用多波长高温计，以消除对温度读数的发射率依赖性。参数在空间上变化，以创建特定于材料内沉淀物的形成和晶粒形态的渐变或梯度微结构。
研究人员还考虑到在 AA6061 和 AA7075 中引入诸如 Zr 等外来颗粒将要求对改性材料进行重新鉴定和认证，以用于航空航天和其他关键应用。研究人员认识到并考虑到通过 Zr 纳米颗粒对前体粉末进行功能化需要额外的程序，包括可能会增加加工成本的静电组装技术。
最终，使用 LPBF激光粉末床熔化金属3D打印技术生产的 AA6061 试样的光学显微镜 (OM) 表征揭示了良好分散和大尺寸沉淀物的存在。在显微照片中也明显的是没有熔池和熔道，展示了使用具有高温粉末床加热的LPBF来无裂纹地制造AA6061。
3D打印的铝合金零部件随后也进行了热处理，通过在 520°C下T6回火，并以 3°C/min 的速度冷却至室温 (25°C)。这种处理产生了约 280 MPa 的屈服强度、约 310 MPa 的极限抗拉强度和 3.5% 的伸长率。虽然屈服值和极限抗拉强度值处于 T6 状态的上限，但伸长率低于该状态下约 5% 的正常低值。
将选区激光熔化LPBF 金属3D打印制造的 AA6061 的最终拉伸性能锻造 AA6061零件进行了比较。LPBF 制造的样品的屈服强度和极限抗拉强度与锻造产品的相应性能相当。然而，在 LPBF 制造的样品中存在延展性的损失，预计随着进一步的参数优化和工艺改进，这种情况会有所改善。
迅速发展的铝合金增材制造研究
l 确定硬度值稳定的最佳温度
根据3D科学谷的了解，上海交通大学特种材料研究所发表了《通过热裂敏感性系数设计具有一定热稳定性的铝合金的方法》。相关论文以题目“Design, microstructure and thermal stability of a novel heat-resistant Al-Fe-Ni alloy manufactured by selective laser melting”发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。研究团队设计并通过铸造实验确定了用于SLM的Al-Fe-Ni合金成分，并对合金的热稳定性进行了进一步的评估。最终确定合金硬度值稳定的温度为300℃，并且经长达两天的热暴露后硬度值几乎没有下降。证明设计成分的合金在300℃具有较好的热稳定性。随后的组织分析也证明了，晶粒尺寸和Al9FeNi相的在300℃下的稳定是其硬度值保持稳定的重要原因。
l 添加成核剂
来自法国学者Mathieu Opprecht等人的研究表明，添加一定数量的钇稳定氧化锆（YSZ）可以诱导晶粒细化，改变3D打印6061铝合金材料的微观结构，从而消除热裂纹现象，相关论文发表在Acta Materialia期刊中。
有两种方法可以进行晶粒细化。第一种方法是在打印过程中控制热应力。第二种方法是通过改变合金成分或在基础粉末中直接添加成核剂来增强异相成核。
法国学者Mathieu Opprecht等人将不同数量的钇稳定氧化锆（YSZ）添加到Al6061基础粉末中。实验发现，晶粒细化效果取决于添加的YSZ量。从1％（体积分数）开始，SEM和EBSD图像显示出呈双峰分布的等轴柱状晶粒的微观结构。结果表明，添加2％（体积分数）的YSZ可以完全避免熔池边界上的裂纹。
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