通過工藝調(diào)控和后續(xù)熱處理對微觀結(jié)構(gòu)進行精細設(shè)計，A*STAR旗下的研究人員提升了增材制造Al6xxx系列鋁合金的塑性穩(wěn)定性，在強度與延展性的平衡方面優(yōu)于同類產(chǎn)品。通過對3D打印鋁合金微觀結(jié)構(gòu)的簡單調(diào)整，為半導(dǎo)體和航空航天應(yīng)用帶來了卓越的機械和熱性能。

▲鋁合金

?3D科學(xué)谷白皮書

強度和延展性的平衡

理想的3D打印材料需要在強度和延展性之間仔細平衡，強度和延展性這兩個特性對于用于飛機和汽車的重負(fù)荷金屬合金尤為關(guān)鍵，但它們之間往往存在權(quán)衡。

新加坡科技研究局（A*STAR）旗下的新加坡制造技術(shù)研究院（A*STAR SIMTech）的高級首席科學(xué)家Sharon Nai表示，"讓材料變得更強通常會使其變得不那么靈活，"

Sharon Nai與A*STAR高性能計算研究所（A*STAR IHPC）和新加坡南洋理工大學(xué)的科研人員一起，與A*STAR SIMTech的同事正在探索不同的加工方法，以調(diào)整基于Al6061的改性鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)特征，旨在實現(xiàn)其在增材制造（AM）——工業(yè)規(guī)模3D打印中的最佳應(yīng)用。Al6xxx系列鋁合金（如Al6061）廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和航空航天等高價值行業(yè)，這些都是新加坡先進制造業(yè)中具有戰(zhàn)略重要性的領(lǐng)域。

然而，通過AM制造的Al6061零件往往會出現(xiàn)裂紋。目前的解決方案之一是添加形核劑（如鈧和鋯），它們會在3D打印過程中在合金的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)形成超細晶粒。先前的研究表明，形成這種晶粒（而不是長的柱狀晶粒）有助于防止裂紋并增強材料強度。但當(dāng)這些混合微觀結(jié)構(gòu)被拉伸和彎曲時，它們會以不穩(wěn)定的模式變形，形成局部拉伸痕跡，即呂德斯帶（Lüders bands）。

A*STAR SIMTech高級科學(xué)家Zhiheng Hu表示"盡管呂德斯帶有時有助于增強材料，但我們發(fā)現(xiàn)它們在AM-增材制造生產(chǎn)的Al6xxx合金中會產(chǎn)生負(fù)面影響?！?/p>

在最近的一項研究中，Sharon Nai、Zhiheng Hu及其同事測試了一種改進策略：使晶粒變大，這在Al6061內(nèi)部創(chuàng)造了軟硬區(qū)域。他們首先改變合金成分，使形核劑在凝固初期自然形成，有助于消除裂紋。然后對合金進行

高溫T6熱處理，以誘導(dǎo)晶粒生長，同時保留一些超細晶粒，這使得材料變形更加均勻，并顯著減少了呂德斯帶的形成。

Sharon Nai表示”這一工藝使得復(fù)雜、輕質(zhì)、高性能零件的增材制造更快、更靈活、更高效，這些零件使用傳統(tǒng)方法難以或無法制造?！?/p>

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，該團隊已為其材料和生產(chǎn)工藝申請了專利，并與日本公司Proterial合作。他們還計劃開發(fā)更穩(wěn)健可靠的AM-增材制造工藝，并將工作擴展到其他先進合金，如Al7075。

創(chuàng)新性：

微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過調(diào)整晶粒尺寸，在鋁合金中創(chuàng)造軟硬區(qū)域，解決了傳統(tǒng)AM鋁合金的裂紋問題

工藝創(chuàng)新：采用高溫T6熱處理工藝，實現(xiàn)晶粒生長的同時保留部分超細晶粒

成分設(shè)計：優(yōu)化合金成分，使形核劑在凝固初期自然形成

缺陷控制：顯著減少呂德斯帶形成，提高材料變形均勻性

Sharon Nai表示"為了加速這一努力，我們邀請行業(yè)終端用戶與A*STAR增材創(chuàng)新中心（AIC）進行合作，AIC熱衷于與行業(yè)合作伙伴共同開發(fā)應(yīng)用、驗證材料和認(rèn)證零件，幫助將下一代材料從實驗室推向?qū)嶋H應(yīng)用。"

參與這項研究的A*STAR其他研究人員來自A*STAR新加坡制造技術(shù)研究院（A*STAR SIMTech）和A*STAR高性能計算研究所（A*STAR IHPC）。

Sharon Mui Ling Nai

賴美玲

高級首席科學(xué)家、新加坡科技研究局增材創(chuàng)新中心（AIC）主任

新加坡科技研究局新加坡制造技術(shù)研究院（A*STAR SIMTech）

賴美玲是新加坡科技研究局新加坡制造技術(shù)研究院（ASTAR SIMTech）的高級首席科學(xué)家，同時擔(dān)任新加坡科技研究局增材創(chuàng)新中心（AIC）主任。AIC是由國家增材制造創(chuàng)新集群（NAMIC）支持的重要技術(shù)轉(zhuǎn)化平臺。Sharon擁有新加坡國立大學(xué)機械工程博士學(xué)位，專長于增材制造和先進制造技術(shù)。她領(lǐng)導(dǎo)了多項與本地及國際企業(yè)合作的研發(fā)項目，將科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用，并與企業(yè)共建聯(lián)合實驗室。Sharon撰寫過兩本專著，參與兩本書籍章節(jié)的編寫，發(fā)表了150篇同行評審期刊論文，并申請了兩項專利。她在該領(lǐng)域的貢獻獲得了廣泛認(rèn)可，包括獲得2021年“SG100科技女性獎”和2023年A*STAR Fellow。

Zhiheng Hu

胡志恒

高級科學(xué)家

新加坡科技研究局新加坡制造技術(shù)研究院（A*STAR SIMTech）

胡志恒是新加坡科技研究局新加坡制造技術(shù)研究院（A*STAR SIMTech）的高級科學(xué)家。他于華中科技大學(xué)獲得電子科學(xué)與技術(shù)博士學(xué)位。他的研究聚焦于增材制造用合金的開發(fā)（如輕質(zhì)合金和形狀記憶合金），并開展系統(tǒng)開發(fā)與冶金學(xué)研究，以實現(xiàn)高性能材料和復(fù)雜構(gòu)件的制造。他在增材制造領(lǐng)域發(fā)表了40多篇研究論文，H指數(shù)為31，體現(xiàn)了其研究工作的影響力。

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