改进过程扫描策略，获得Scalmalloy®铝合金的高性能疲劳特性

| 3DScienceValley · 2023/02/12

在最先进的增材制造领域中，激光粉末床熔融中适当工艺参数的选择已经牢牢确立。然而，扫描策略的优化将导致材料性能的改善。

来自奥地利莱奥本、奥地利因斯布鲁克以及空客德国的科学家在《An improved process scan strategy to obtain high-performance fatigue properties for Scalmalloy®》论文中研究了承受疲劳的高性能铝合金（例如 Scalmalloy®）的最佳扫描策略。研究展示了如何减少激光与独特焊接羽流的不受控制的相互作用，这种焊接羽流是由高挥发性合金元素（例如镁）产生的。拉伸和疲劳测试用于评估样本的结构完整性，其中使用了不同的焊接模式。显示了以下组合：扫描矢量角度限制；减少扫描矢量长度；和激光光斑调整可减小整体缺陷尺寸并提高 Scalmalloy® 的构建质量。观察到具有出色机械性能的双峰微观结构：达到 524 MPa 的极限抗拉强度和 17% 的断裂伸长率。

本期谷.专栏，将分享以上相关研究论文的主要内容。

相关研究发表在Materials & Design，Volume 224, December 2022, 111410

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522010334?via%3Dihub

研究背景

铝 (Al) 合金的增材制造 (AM) 已被确定为生产轻型设计结构的有前途的方法。假设增材制造构建质量非常好，偶尔出现的材料不均匀性对准静态材料特性的影响似乎不是特别显着，但对疲劳特性的影响是严重的，因为这些缺陷很容易成为裂纹萌生点。这导致使用 LPBF选区激光熔融金属3D打印生产的结构部件的可靠性和安全性存在相当大的不确定性。

目前可以定义阻碍材料特性的各种不同材料不均匀性，例如气体孔隙率（特别是铝合金的 H 孔隙率）、小孔孔隙率（KH孔隙率）和未熔融孔隙率（LoF不规则形状），这些缺陷的根本原因是多方面的。通过适当的粉末处理和准备，以及正确选择工艺参数，可以显着减少它们的形成。

研究方法

缺陷的一个根本来源是高度动态的熔池导致的熔融异常。使用高能 X 射线成像对 LPBF 选区激光熔融金属3D打印过程的研究证实了控制熔池动力学以避免聚变过程异常和材料不均匀性的重要性。

为了减少这些异常，可以调整各种工艺参数。众多加工参数的复杂相互作用和影响尚未完全了解。激光-基板相互作用的基本原理可以概括为两种主要的焊接模式：

热传导 (HC) 模式：热传导是主要的热传递机制，金属蒸发可忽略不计，熔池动力学降低，焊池几何形状可以用纵横比（焊池深度/焊池宽度）≤ 0.5 来描述。

小孔/深穿透 (KH) 模式：基于增加的金属蒸发和高度动态的熔池行为形成空腔。

图 1. 工艺参数调整示意图，奥地利莱奥本、奥地利因斯布鲁克以及空客德国的科学家调整了工艺参数，专门用于 Scalmalloy®的加工，以提高工艺稳定性。这些调整措施包括加宽激光光斑直径，从而影响焊接熔深和焊接模式反映的熔池动力学（橙色框）；通过扫描矢量角度限制（红框）最大限度地减少激光与焊接羽流之间的相互作用。
© ScienceDirect

多种工艺参数会影响熔池动力学，这些参数包括激光功率、扫描速度、扫描距离、层厚、激光束半径、激光强度分布、激光扫描路径、保护气体流量和粉末粒度分布等等。

当 Scalmalloy® 由 LPBF 选区激光熔融金属3D打印加工时，很容易出现工艺偏差。这是由于上述 LPBF 熔池动力学和挥发性合金元素的存在导致焊接副产品的形成，因此，Scalmalloy® 是评估研究中讨论的高级参数自适应的完美研究材料。

化学成分 Al-4.5 Mg-0.75Sc-0.35Zr-0.45Mn 包含大量 Mg，与 Al相比，Mg 具有较高的蒸气压。然而，由于这种合金具有高屈服强度、高伸长率 (A) 和高断面收缩率 (Z)，因此引起了材料和工艺界的兴趣。与其他铝合金相比，Scalmalloy®材料具有高固有疲劳强度的潜力，从而能够实现疲劳载荷部件的轻量化设计和应用。然而，这种潜力尚未在 AM 中实现，因为产生大量不均匀材料的可能性仍然很高。

奥地利莱奥本、奥地利因斯布鲁克以及空客德国的科学家该研究的重点是实施和研究不同的策略，以尽量减少凝固缺陷的形成，以优化零件的性能。首先，推导出并实施了一种创新的扫描策略，通过减少激光与工艺副产品的相互作用来提高工艺稳定性。其次，基于预研究中得出的优化主要工艺参数，优化了焊接模式和焊接熔深的平衡。这是通过观察熔池几何形状和成品零件中的 Mg 损失来实现的。最后，讨论了导致不同熔化模式和熔道几何形状的不同工艺参数集对机械零件性能和缺陷的影响，特别关注提高疲劳性能。

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