中南大學(xué) l 增材制造鋁合金的全面概述：類別，結(jié)構(gòu)，性能和缺陷消除

2025-06-13 11:22:20　來源: 3D科學(xué)谷

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《 Materials Science & Engineering A 》刊登了中南大學(xué)相關(guān)團隊的綜述成果：增材制造鋁合金的全面概述：類別，結(jié)構(gòu)，性能和缺陷消除(A comprehensive overview of additive manufacturing aluminum alloys: Classifications, structures, properties and defects elimination) ，該綜述系統(tǒng)梳理了鋁合金在增材制造中的最新研究進展。文章首先概述了常見 AM 技術(shù)（如 SLM 、 WAAM 、 LMD 等）及其與傳統(tǒng)制造方式的區(qū)別。隨后，基于鋁合金的組成與性能特征，深入分析了八類典型鋁合金體系（包括 Al-Si 、 Al-Mg-(Sc,Zr) 、 Al-Cu-(Mg) 、 Al-Zn-Mg-(Cu) 、 Al-Fe 、 Al-Ni 、 Al-Mn 以及復(fù)合材料）在增材制造中的適應(yīng)性、顯微結(jié)構(gòu)演化、強化機制與加工挑戰(zhàn)。

文章特別強調(diào)了不同合金體系中晶粒粗大、柱狀晶、熱裂紋、孔隙率高、各向異性強等關(guān)鍵缺陷的形成機制與消除策略，如通過合金微量元素調(diào)控（如Sc、Zr、Er）、熱處理優(yōu)化、激光能量密度調(diào)控、打印路徑設(shè)計等手段實現(xiàn)組織細化和力學(xué)性能提升。在性能層面，文章比較了不同合金在拉伸性能、熱強性、疲勞性能、蠕變與腐蝕性能上的差異，指出某些添加Sc/Zr的Al-Mg系或Al-Zn-Mg-Cu系合金的屈服強度可超過650 MPa，具備優(yōu)異的綜合性能。針對增材構(gòu)件的水平/垂直方向性能差異與熱處理前后性能變化，文中提供了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比與機制分析。最后，文章展望了AM鋁合金未來的發(fā)展方向，提出亟需解決的問題包括高強合金的熱裂紋抑制、組織各向異性的調(diào)控、多尺度模擬與性能預(yù)測方法的建立，以及適用于航空航天與高可靠性裝備的新型高性能鋁合金體系開發(fā)。

內(nèi)容簡介

增材制造（AM）技術(shù)是從Charles Hull于1984年首創(chuàng)的立體光刻設(shè)備（SLA）技術(shù)發(fā)展而來。這種創(chuàng)新的制造方法通過逐層添加材料來構(gòu)筑物體，與傳統(tǒng)的切削、銑削等減材制造方法形成鮮明對比。AM技術(shù)的發(fā)展主要可分為四個階段：萌芽階段、早期階段、中期階段和快速發(fā)展階段。圖1概述了AM技術(shù)在鋁合金中的發(fā)展簡史。從2011年首次將鋁合金應(yīng)用于3D打印，到Scalmalloy?合金的開發(fā)和晶粒細化劑的應(yīng)用，再到屈服強度超過550 MPa的Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的開發(fā)，以及近年來超高強鋁合金的成功報道。

圖1AM鋁合金的發(fā)展簡史

鋁合金AM技術(shù)根據(jù)能量來源主要分為三種類型：激光AM(LAM)，電子束AM（EBAM）和電弧AM(WAAM)，LAM技術(shù)具體包括SLM、SLS和LMD等工藝，EBAM技術(shù)包括EBPBF、EBF3以及DED的電子束變體，WAAM技術(shù)則包括GMAW、GTAW和PAW等，具體分類和工藝如圖2所示。

圖2根據(jù)能量來源對鋁合金AM技術(shù)的具體分類和工藝方法

Al-Si，Al-Mg，Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等合金是AM領(lǐng)域使用最早的一批合金，后續(xù)也發(fā)展到其他合金，常見的增材制造鋁合金種類如表1-表8所示。但這些合金由于粗大的柱狀晶和顯著的雙峰結(jié)構(gòu)使其無法滿足使用需求。為了解決這一問題，通過引入微量元素來改善合金的結(jié)構(gòu)。圖3展示了通過添加不同元素改善合金微觀組織的圖像，Sc、Zr和Mn等元素的引入使合金結(jié)構(gòu)得到了顯著的改善，促使微觀結(jié)構(gòu)從柱狀晶到等軸狀晶的轉(zhuǎn)變，顯著減少甚至消除了雙峰結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。

Al-Si系列合金通常含有7%至12%的Si，特別適合AM技術(shù)。其中，AlSi10Mg合金以其獨特的優(yōu)勢成為工業(yè)應(yīng)用研究的焦點。Si的加入不僅提高了鋁的流動性，而且有效地減少了熱裂的發(fā)生，是優(yōu)化合金可打印性的關(guān)鍵因素。此外，AlSi10Mg合金中含有Mg，這種成分不僅保留了鋁的輕質(zhì)特性和Si的強化作用，而且在快速凝固過程中促進了細小均勻組織的形成。Mg的存在通過形成硬化相（如Mg2Si）進一步提高了合金的強度和硬度，這對于高性能工程應(yīng)用尤為重要。

表1增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Si合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

4043

WAAM

d=1.2 mm

18.5±8.5

Mg2Si

AlSi10Mg

LPBF

d50=40.9

7.8±6.2

Mg2Si

LPBF

9.5±5.2

Mg2Si

LPBF

Mg2Si

LPBF

d50=41.0

6.8±6.5

Mg2Si

DED

d50=141.9

62.9±15.2

Mg2Si

Al-7Si-0.6Mg

SLM

Mg2Si

雖然鋁硅合金已廣泛應(yīng)用于增材制造技術(shù)，但這些合金有一個顯著的缺點：它們的機械性能有限（通常抗拉強度低于400MPa），使它們不足以滿足航空航天工業(yè)的要求。因此，迫切需要開發(fā)新型鋁合金。鈧（Sc）和鋯（Zr）改性鋁鎂合金是這些高性能鋁合金的優(yōu)良替代品。鋁鎂合金以其良好的耐腐蝕性、優(yōu)良的可焊性和中等強度而聞名，已廣泛應(yīng)用于航空航天和海事領(lǐng)域。在Al-Mg合金中添加少量的Sc和Zr可以顯著細化晶粒尺寸，形成高密度的納米級Al3（Sc, Zr）相。這些變化顯著提高了合金的機械性能和熱穩(wěn)定性。

表2增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Mg-(Sc, Zr)合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

Al-Mg-Sc-Zr

DED

d50=38.8

9.7±3.8

Al3(Sc,Zr)

SLM

Al3(Sc,Zr)

LPBF

1.5±0.5

Al3(Sc,Zr)

DED/LPBF

d50=186.9

3.4±1.9

Al3(Sc,Zr)

LPBF

d50=31.3

42.5±15.8

Al3(Sc,Zr)

Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr

LPBF

d50=23.6

2.6±1.2

Al3(Sc,Zr)

Al-Mg-Si-Sc-Zr

LPBF

12.5±2.6

Al3(Sc,Zr)

Al-Mg-Mn-Sc-Zr

LMD

d50=43.3

Al6Mn

A1-6Mg-0.6Sc-0.3Zr

DED

4.5±1.3

Al3(Sc,Zr)

5024/TiC

LMD

d50=42.72

3.5±1.2

6061MOD

LPBF

d50=39.4

1.8±1.4

Al-6Mg-5Gd

SPS

d50=21.4

6.8±4.2

Al-Sc-Zr

SLM

9.8±10.8

Al3(Sc,Zr)

Al-Er-Zr

SLM

82.5±12.6

Al3(Er,Zr)

Al-Cu-(Mg)系列合金代表熱處理鋁合金，以其高比強度，良好的耐腐蝕性和低密度而聞名。這些特性使其廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天等領(lǐng)域。近年來，Al-Cu-(Mg)合金常采用WAAM法制備和加工，取得了良好的效果。這種方法利用了這些合金的固有優(yōu)勢，有效地生產(chǎn)了利用其強度和輕量化特性的部件。WAAM技術(shù)與Al-Cu-(Mg)合金的成功集成不僅強調(diào)了AM的多功能性，而且增強了這些要求苛刻的行業(yè)中關(guān)鍵高性能部件生產(chǎn)的創(chuàng)新潛力。

表3增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Cu-(Mg)合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

Al-Cu alloys

L-TIG

d=1.2 mm

84.5±65.3

θ, θ'

LAHAM

d=1.2 mm

80.5±25.6

θ, θ'

WAAM

d=1.2 mm

θ, θ'

2024

LPBF

d50=34.3

2.2±1.3

θ, θ'

2219

WAAM

d=1.2 mm

50.1±14.5

θ, θ'

WAAM

d=1.2 mm

51.5±12.1

θ, θ'

WAAM

d=1.2 mm

θ, θ'

WAAM

d=1.2 mm

49.2±16.2

θ, θ'

WAAM

d=1.2 mm

51.5±0.3

θ, θ',θ''

2319

WAAM

d=1.2 mm

75.3±12.9

θ, θ'

Al-Cu-Mg-Si

SLM

d50=39.6

1.4±0.6

θ, θ'

Al-Cu-Mg-Zr (Zr-2024)

SLM

d50=39.6

1.8±0.9

θ, θ'

Al3(Sc,Zr)

SLM

d50=39.6

1.5±1.1

θ, θ'

Al-Cu-Mg-Fe-Ni/TiB2

EBM

8.6±3.5

AlxFeNi

Al7Cu2Fe

在鋁合金領(lǐng)域，Al-Zn-Mg-Cu合金因其極高的強度、良好的可加工性和優(yōu)異的耐腐蝕性而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的鑄造和變形工藝難以制造形狀復(fù)雜、組織超細晶粒的Al-Zn-Mg-Cu合金零件，這極大地限制了其更廣泛的市場應(yīng)用。

表4增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Zn-Mg-Cu合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

7075

LPBF

d50=103

67.5±25.2

Al3Zr, ZrCu

SLM

d50=29.7

3.5±6.9

SLM

d50=23.6

2.9±1.5

θ, η, η'

Al-Zn-Mg-Cu

LAHAM

38.5±5.6

LAHAM

d=1.2 mm

31.5±4.5

S, η, Al7Cu2Fe

LAHAM

d=1.2 mm

32.5±15.2

S, T, η

AlZnMgCuScZr

SLM

d50=32.9

0.8±0.9

Al3(Scx, Zr1-x)

Al-Fe合金因其輕質(zhì)、高強度、耐磨性、抗蠕變性和成本效益而備受關(guān)注。鐵的加入促進了Al-Fe金屬間化合物的形成，從而提高了這些鋁合金在室溫和高溫下的性能。例如，Allied Signal開發(fā)的Al-Fe-V-Si系列合金具有體心立方（BCC） Al12(Fe， V)3Si相，其析出強化機制使其抗拉屈服強度達到407 MPa。洛克希德加州公司已經(jīng)在Al-Fe-Ce合金中實現(xiàn)了422 MPa的抗拉強度。最近，研究人員還強調(diào)，納米亞穩(wěn)Al6Fe相具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，有助于提高使用LPBF制造的Al-Fe合金的力學(xué)性能。

表5增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Fe合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal

/Yes or No

Phase

Al-Fe

M-FSAM

AlFeSi

LPBF

d50=22

45.2±31.6

AlFe

LPBF

89.2±62.5

AlFe

Al6Fe

Al-Fe-Ni

SLM

d50=30.5

11.5±2.1

Al9FeNi

Al-Fe-Ce

SLM

Al-Fe-V-Si

SLM

Al-Fe-Sc-Zr

SLM

d50=26.0

6.8±4.8

Al6Fe

Al13Fe4

Al3(Sc.Zr)

Al-Fe-Cu-xZr

LPBF

2.5±0.8

Al3(Sc.Zr)

Al-Ni和Al-Mn合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性在增材制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，鋁錳合金的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的原型制造擴展到復(fù)雜功能部件的制造。研究人員已經(jīng)能夠通過在打印過程中精確控制溫度和速度來顯著提高打印部件的強度和精度。此外，SLM和EBM等新型打印技術(shù)進一步拓寬了Al-Mn合金在航空航天、汽車和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的應(yīng)用。這些技術(shù)的進步不僅擴大了材料的應(yīng)用范圍，也推動了材料科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新和技術(shù)革命。

表6增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Ni合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

Al-Ni

LPBF

Al3Ni

SLM

d50=34

12.2±5.0

Al3Ni, Al3Zr

Al-Ni-Cu-Fe-Mn-Cr

LPBF

d50=20

Al9FeNi

Al3(Sc.Zr)

Al6(Cu, Ni)1(Cr, Mn, Fe)1

Al-Ni-Zr-Ti-Mn

LPBF

3.9±6.8

Al31Mn6Ni12

Al3(Ti,Zr)

Al3Ni

Al-Ni-Ti-Zr

LPBF

d50=45

1.6±1.2

Al3(Ti,Zr)

Al3Ni

表7增材制造技術(shù)中常見的幾種Al-Mn合金

Alloy classification

Printing method

Materials size/μm

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

Al-Mn-Sc

SLM

d50=37

5.2±15.3

Al3(Sc.Zr)

Al6Mn

Al-Mn-Sc

LPBF

d50=34.9

Al3.3(Sc0.8,Zr0.2)

Al6(Mn,Fe)

Al43(Mn0.9Fe0.1)

Al-Mn-Sc

LPBF

d50=35

2.1±0.9

Al3Sc

Al3(Sc.Zr)

Al-Mn-Sc

LPBF

18-53

3.1±1.6

Al74Mn20Si6

Al6Mn

Al-Mn-Sc

SLM

20-53

3.0±0.5

Al3(Sc.Zr)

Al3Sc

AlxMn

Al-Mn-Sc

LPBF

d50=35.4

3.2±3.3

Al6Mn

Al3(Sc.Zr)

Al-Mn-Sc

LPBF

15-53

2.8±1.5

Al3(Sc.Zr)

Alx(Mn,Fe)

Aly(Sc,Zr)

Al-Mn-Mg-Sc-Zr

LPBF

d50=70

1.5±1.3

Al3Sc

Al3Zr

Al-Mn-Mg-Sc-Zr

SLM

20-70

1.6±0.8

Mn(Fe)-rich

Al-Mn-Mg-Sc-Zr

LPBF

20-70

1.7±1.3

Al3Sc

Al6Mn

金屬基復(fù)合材料是近年來材料科學(xué)和制造技術(shù)領(lǐng)域的一項重大進展。由于其良好的可加工性和優(yōu)異的機械性能，它們在AM行業(yè)中獲得了越來越多的興趣。粉末冶金和傳統(tǒng)金屬成形技術(shù)的進步表明，增強顆粒的存在對析出動力學(xué)以及增強顆粒與析出相的協(xié)同強化作用起著至關(guān)重要的作用。

表8增材制造技術(shù)中常見的幾種鋁基復(fù)合材料

Alloy classification

Printing method

Grain size/μm

Bimodal/Yes or No

Phase

AlN/AlSi10Mg

SLM

d50=30

SLM

d50=30

3.8±0.8

TiB2/AlSi10Mg

LPBF

d50=35.9

1.6±0.1

TiC/5024

LMD

d50=43.3

Al3(Scx,Zr1-x)

4TiB/A1-6Mg

DED

53-106

19.2±3.2

Al3(Sc.Zr)

Al75Sc10Zr15

Al75Sc10Zr9

4TiB/A1-6Mg-0.7Sc-0.2Zr

DED

53-106

4.2±0.5

Al3(Sc.Zr)

Al75Sc10Zr15

Al75Sc10Zr9

2195-Ti/CeB6

LPBF

20-63

2.8±2.3

Al3(Sc.Zr)

TiB2/Al-Cu-Mg

LPBF

d50=28.6

4.63±1.8

TiB2/Al-Zn-Mg-Cu

LPBF

d50=30

2.0±0.9

Zn/Mg/Cu-rich

TiB2/Al2618

LPBF

15-53

1.9±0.8

TiB2/Al-Cu-Mg-Fe-Ni

EBM

8.6±3.5

TiB2/Al-Fe-Ni

SLM

d50=30.0

1.2±0.5

Al9FeNi

圖3不同元素的添加對不同AM鋁合金顯微組織的影響

然后，對常見AM鋁合金的靜力學(xué)性能、耐熱性能、疲勞性能、蠕變性能、腐蝕性能、沖擊性能和摩擦磨損性能進行詳細、全面的概述。其中，常見AM鋁合金的室溫力學(xué)性能匯總?cè)绫?所示，并將表內(nèi)數(shù)據(jù)繪制成聚類圖，從而更加直觀明了地觀察到不同種類、不同增材制造方法下合金的力學(xué)性能分布情況，具體如圖4所示。

表9常見AM鋁合金室溫力學(xué)性能匯總表

Alloy classification

AM method

UTS/MPa

YS/MPa

EI/%

4043

WAAM

151.91±1.28

69.71±4.01

16.80±0.61

AlSi10Mg

LPBF

470.0±7.9

293.3±5.1

8.8±1.8

AlSi10Mg

DED

187±1.5

7.4±0.5

5024

LMD

347

296

5.1

Al-Mg-Sc-Zr

DED+WC

384±6

261±1

20.2±1.3

Al-Mg-Sc-Zr

SLM

11.7

A1-6Mg-0.6Sc-0.3Zr

DED-AB

18.5

Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr

LPBF

13.8

4TiB/A1-6Mg

DED-AB

19.6

4TiB/A1-6Mg-0.7Sc-0.2Zr

DED-AB

13.8

Al-Cu

L-TIG

301.5±16.7

155.5±7.9

12.8±2.8

Al-Cu

LAHAM

290.3±5.9

146.5±2.2

13.6±0.8

2024

LPBF

490-531

459-453

3.2-8.7

2219

WAAM-TS

8.4

2219

WAAM+AG

397±4

303±5

5.3±1

2195-Ti/CeB6

LPBF

300

5.5

2219

WAAM

99.3

13.0

TiC/5024

LMD

335

267

4.9

7075

LPBF

513

488

7075

SLM

446

397

6.5

Al-Zn-Mg-Cu

LAHAM

314.5±11.2

225.6±8.9

3.18±0.32

AlZnMgCuScZr

SLM

647

11.6

TiB2/Al-Fe-Ni

SLM

324.7±0.9

271.3±2.3

11.0±1.1

Al-Mn-Sc

SLM

474±3

461±3

18±3

Al-Mn-Mg-Sc-Zr

SLM

451.8±2.2

438±3.8

20±1.2

TiB2/AlSi10Mg

SLM

444

283

4.2

TiB2/Al-Cu-Mg

LPBF

圖4常見AM鋁合金室溫力學(xué)性能匯總

表10-表12分別為幾種常見鋁合金的水平和垂直方向上的試問力學(xué)性能匯總、熱處理前后的室溫力學(xué)性能匯總、耐熱性能匯總等。并將其繪制成散點圖，如圖5-圖7所示，更加直觀地觀察到合金性能分布情況。

表10不同鋁合金在水平和垂直方向上的室溫力學(xué)性能匯總

Alloy classification

AM method

UTS/MPa

YS/MPa

EI/%

6061MOD

LPBF

326±7

315±3

325±6

286±5

21.1±0.3

18.3±0.7

Al-5Si-1Cu-Mg

DED

206

198

15.9

17.8

Al-9Mg-0.7Sc-0.3Zr-0.5Mn

DED

400

397

238

221

9.13

7.44

2319

CMT+WAAM

256

217

4.6

3.0

Al-Cu

WAAM

396±12.0

364±2.8

295±10.6

282±5.7

3.5±0.3

3.3±0.3

Al-Zn-Mg-Cu

LAHAM

602.3±7.6

531.0±5.8

520.7±5.6

450.5±9.4

8.90±0.10

6.21±0.12

Al-Mn-Sc

SLM

571±5

546±4

572±3

542±2

16±1

13±2

圖5不同鋁合金在水平和垂直方向上的室溫力學(xué)性能匯總

表11不同鋁合金熱處理前后的室溫力學(xué)性能匯總

Alloy classification

AM method

UTS/MPa

YS/MPa

EI/%

Before HT

After HT

Before HT

After HT

Before HT

After HT

Al-Mg-Sc-Zr

DED

338±2

384±6

198±3

261±1

20.6±0.8

20.2±1.3

Al-Mg-Sc-Zr

DED

328±4

395±2

195±3

285±2

27.1±1.7

22.7±0.5

Al-Mg-Sc-Zr

LPBF

390±2

531±2

325±3

510±2

24.9±0.6

15.0±.3

Al-Mg-Sc-Zr

LPBF

403±4

541±5

334±4

511±4

27.5±1.7

15.9±0.7

Al-Mg-Sc-Zr

LPBF

399±3

533±2

338±3

512±2

30.5±5

15.6±0.3

Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr

LPBF

13.8

1.9

Al-Mg-Si-Sc-Zr

LPBF

580

6061MOD

LPBF

326±7

397±3

325±6

383±3

21.1±0.3

5.5±0.7

7075+1%Nb

SLM

379±18

423±8

258±13

283±2

11.1±3.7

16.0±2.8

Al-Zn-Mg-Cu

LAHAM

318.5±8.5

602.3±7.6

230.0±7.8

520.7±5.6

2.93±0.12

8.90±0.10

Al-Zn-Mg-Cu

LAHAM

319±9

602±8

230±8

521±6

2.9±0.1

8.9±0.1

2219

WAAM

223.61±8.4

396.07±5.25

95.2±8.6

190.25±8.8

9.41±0.51

5.54±0.7

2219

WAAM

223.61±8.4

247.65±17.7

95.2±8.6

110.1±6.

9.41±0.51

11.93±0.71

Al-Cu-Mg-Zr (Zr-2024)

SLM

441±7

483±37

376±7

402±9

14.1±1.4

6.9±1.8

Al-Mn-Sc

SLM

459±1

571±5

441±4

572±3

22±1

16±1

Al-Mn-Sc

SLM

438±3

556±11

19±3

18±1.6

TiB2/Al-Cu-Mg

LPBF

6.6

TiB2/Al-Cu-Mg-Fe-Ni

EBM

253.4±4.3

322±3.2

13.5±3.0

9.8±2.2

圖6不同鋁合金熱處理前后的室溫力學(xué)性能匯總：(a)和(b)熱處理之前；(c)和(d)熱處理之后

表12幾種增材制造鋁合金耐熱性匯總

Alloy classification

AM method

Temperature/℃

UTS/MPa

YS/MPa

EI/%

Al-Mg-Si-Sc-Zr

LPBF

200

250

Al-Zn-Mg-Cu (AD)

LAHAM

200

240±15

201±12

2.6±0.3

Al-Zn-Mg-Cu (HT)

LAHAM

200

362±20

318±16

6.8±0.3

Al-Mn-Sc

SLM

150

200

250

393±1

310±6

176±1

365±12

252±1

155±1

7.5±0.1

4.5±0.2

4.6±0.3

TiB2/Al2618

LPBF

200

300

305.5±6.2

130.6±2.1

289.4±4.6

126.0±1.5

5.6±1.0

8.1±1.4

圖7幾種增材制造鋁合金耐熱性匯總: (a)抗拉強度散點圖; (b)屈服強度散點圖; (c)塑性散點圖

針對增材制造鋁合金中氣孔、裂紋、球化等缺陷的研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了極大的擴展。增強的分析技術(shù)加深了對這些缺陷的理解，并促進了對這些缺陷的詳細檢查，如圖8中各種合金的顯微結(jié)構(gòu)圖像所示。氣孔等缺陷，以及未充分熔化的顆粒和殘余粉末，通常作為內(nèi)部微裂紋的成核點，從而降低了合金的機械性能。計算機斷層掃描（CT）技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了我們在三維上可視化這些缺陷的能力，展示了它們復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。這一技術(shù)進步為這些缺陷的發(fā)生和發(fā)展以及它們在合金中的微觀力學(xué)行為提供了更徹底和細致入微的視角。

圖8LPBF制造鋁合金樣品中形成的各種缺陷SEM照片

接著，以提升AM鋁合金性能為目的，總結(jié)了粉末原材料、打印參數(shù)優(yōu)化、晶粒細化劑及不同后處理對AM鋁合金內(nèi)部晶粒細化及均勻性的改善作用。微量元素和陶瓷顆粒的添加顯著提高了合金的力學(xué)性能，包括強度和韌性。此外，晶粒細化劑還有助于穩(wěn)定熔池，從而減少制造過程中的氣孔和裂紋等缺陷，同時優(yōu)化最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量和幾何精度。因此，合理選擇和使用晶粒細化劑是設(shè)計和優(yōu)化鋁合金增材制造工藝，最終提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵策略。圖9展示了不同陶瓷顆粒對AM鋁合金顯微組織的改善效果及機理。

圖9不同陶瓷顆粒對增材制造鋁合金顯微組織的改善

隨著AM鋁合金的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的商用鋁合金粉，通過這些合金粉末制造的零部件也越來越多地應(yīng)用于航空航天、軌道交通等行業(yè)。圖10展示了AM鋁合金零部件的實際應(yīng)用，具體包括：7075-TC4材料生產(chǎn)的透平壓氣機輪、?SLM Solutions和Cellcore公司開發(fā)的一種火箭推進發(fā)動機、奔馳卡車公司使用LPBF生產(chǎn)的Unimog系列車型的各種部件、6061鋁合金發(fā)動機缸體、LPBF制造的Al6061-RAM2散熱器、APWorks公司使用Scalmalloy?合金制作的仿生隔板、A2024-RAM2制成的活塞頭、以及3D打印鋁合金蜂窩材料換熱器。

圖10AM鋁合金零部件的實際應(yīng)用

受自然界巧妙設(shè)計的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了各種以特殊的能量吸收能力而聞名的新結(jié)構(gòu)，如所示。這些實例包括模仿蓮藕內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔鐵結(jié)構(gòu)，受烏龜堅固外殼啟發(fā)的梯度泡沫鋁，以及模仿竹子彈性結(jié)構(gòu)的梯度多孔鋁方管。其他設(shè)計包括層狀多孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁，靈感來自絲瓜的海綿狀結(jié)構(gòu)，以及以犰狳為模型的致密層狀多孔晶格核心結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)有助于強度和高能量吸收的結(jié)合。

“3D Science Valley 白皮書圖文解析

此外，以瓢蟲和日本甲蟲前翅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開發(fā)了兩種新型的仿生多細胞管。葉片中的多孔維管結(jié)構(gòu)增加了葉片承受機械應(yīng)力的能力，這些以生物為靈感的創(chuàng)新突出了自然智慧與先進工程的融合，以創(chuàng)造在苛刻環(huán)境中具有卓越性能的材料和結(jié)構(gòu)。

圖11受自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計的仿生結(jié)構(gòu)

自20世紀(jì)80年代取得重大發(fā)展以來，AM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括航空航天、醫(yī)療、建筑、汽車和消費品等。盡管得到了廣泛的應(yīng)用，但與機械加工、鑄造、鍛造和焊接等傳統(tǒng)加工方法相比，AM的技術(shù)成熟度仍有提升的空間。它們面臨著一些限制，包括加工速度慢、零件尺寸受限以及可用材料種類有限等。然而，隨著技術(shù)的不斷進步，這些挑戰(zhàn)有望逐步得到解決。因此，文章最后強調(diào)了鋁合金增材制造技術(shù)中6個極具潛力的重點發(fā)展方向，具體如圖12所示。

圖12鋁合金增材制造技術(shù)的重點發(fā)展方向

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