铝合金壁板类零件数字化加工

1引言2A12铝合金在航天航空、船舶制造、军工装备产品等领域被广泛使用,具有较高的强度、断裂韧性和疲劳性能、优良的高温蠕变抗力和塑性成型能力以及良好的机械加工性能,是一种典型的Al-Cu-Mg 系可热处理强化型铝合金,其化学组成成分见表1[1]。

表1铝合金化学成分元素CuMgMnNiZn Fe Si Al 含量/%3.8~4.91.2~1.80.3~0.90.100.300.500.50余量研究发现,2A12铝合金在加工和使用过程中会出现各种问题,比如:切削加工中易出现加工变形,尤其是薄壁薄板类零件;同时,2A12铝合金制品表面一般采取陶瓷化和喷涂等多种防护措施,但恶劣的环境会使其在使用过程中出现防护层开裂进而丧失防护性能,再加上受残余应力影响,出现腐蚀、磨损、疲劳、裂纹、断裂等问题。

通过热处理可以有效提高铝合金的力学性能,使其强度、韧性、导电性、导热性以及抗腐蚀性增强[2],不同的热处理方式会对铝合金性能产生不同的影响,本文将对此进行分析。

22A12铝合金常用的热处理方式2.1铝合金的时效处理时效处理是指在室温或者较高温度下将工件存放较长时间,根据热处理温度的不同可分为自然时效和人工时效,在铝合金板材及铸件类加工中应用广泛[3]。

经过时效处理后,铝合金的硬度和强度通常都有所增加,但塑性、韧性和内应力相对有所降低。

人工时效主要包括单级时效处理以及双级时效处理两种。

单级时效,即在单一温度下对工件进行热处理。

依据溶解温度的临界值可有效划分单级时效处理。

根据经过时效处理后铝合金的具体组织的不同,可分为峰值时效、欠时效、过时效3种:峰值时效可使工件的强度达到最大值;欠时效温度相【作者简介】田东海（1992~），男，山西文水人，助理工程师，从事工厂设计与工艺研究。

2A12铝合金热处理工艺分析Analysis of 2A12Aluminum Alloy Heat Treatment Process田东海1，石杰2，任伟伟2，王铭武1，何宗徽1（1.中机第一设计研究院有限公司，合肥230601；2.中国兵器工业集团北方自动控制技术研究所，太原030006）TIAN Dong-hai 1，SHI Jie 2，REN Wei-wei 2，WANG Ming-wu 1，HE Zong-hui 1（1.First Design and Ressearch Institute Mi China Co.Ltd.,Hefei 230601,China;2.North Automatic Control Technology Research Institute of China North Industries Group,Taiyuan 030006,China)【摘要】2A12铝合金因其优良的力学性能和性价比而广泛应用于各个工业装备领域。

第51卷2023年3月第3期第29-38页材料工程J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n gV o l.51M a r.2023N o.3p p.29-38增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展R e s e a r c h p r o g r e s s i nd e f e c t s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y李雯哲1,钱锋1,2*,程兴旺1,2,3(1北京理工大学材料学院,北京100081;2北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室,北京100081;3北京理工大学唐山研究院,河北唐山063003)L IW e n z h e1,Q I A NF e n g1,2*,C H E N G X i n g w a n g1,2,3(1S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;2N a t i o n a lK e y L a b o r a t o r yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o n M a t e r i a l sU n d e r S h o c ka n dI m p a c t,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;3T a n g s h a nA c a d e m y,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,T a n g s h a n063003,H e b e i,C h i n a)摘要:铝合金是一种重要的轻质金属结构材料,广泛应用于航空航天和交通运输等领域㊂行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求,传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂增材制造作为一种新兴的快速成形技术,为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路㊂然而,由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质,通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,严重损害其力学性能,限制其实际生产应用㊂本文综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展及发展趋势,并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分,进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂关键词:中高强铝合金;增材制造;缺陷;优化工艺参数;优化合金成分;添加形核剂d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2022.000038中图分类号:T G146.2+1文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2023)03-0029-10A b s t r a c t:A l u m i n u ma l l o y i s a n i m p o r t a n t l i g h tm e t a l s t r u c t u r a lm a t e r i a l,w h i c hh a s b e e nw i d e l y u s e d i na e r o s p a c ea n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r i e s.W r o u g h ta l u m i n u m a l l o y s g e n e r a l l y r e q u i r ee x t r u s i o n, r o l l i n g o r f o r g i n g a f t e rc a s t i n g t ob e p r o c e s s e di n t of i n i s h e d p r o d u c t s.H o w e v e r,t h i sc o n v e n t i o n a l c a s t i n g-d e f o r m i n g-c u t t i n g s u b t r a c t i v e m a n u f a c t u r i n g r o u t eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t t o m e e t t h e m a n u f a c t u r i n g d e m a n d so fh i g h e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y.A sa n e m e r g i n g m a n u f a c t u r i n g m e t h o d,a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g(AM)p r o v i d e s b r a n d-n e w p o s s i b i l i t i e s f o r t h e m a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n u m a l l o y sb y d e p o s i t i n g s u b s e q u e n t l a y e r sb a s e do nd i g i t a ld r a w i n g f i l e s t o m a k e t h r e e-d i m e n s i o n a l o b j e c t s.H o w e v e r,m o s t a l u m i n u ma l l o y s a r e s u f f e r i n g f r o mt h e v a r i o u s d e f e c t i s s u e sd u et ot h e m a n u f a c t u r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r-b a s e d AM p r o c e s s e sa n ds e v e r a l i n t r i n s i c p r o p e r t i e so fa l u m i n u m a l l o y s,w h i c hi m p a i rt h e i r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dl i m i tt h e i ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s.V a r i o u s d e f e c t s a n d c o r r e s p o n d i n g c a u s e s i na d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e dm e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h i s p a p e r.I na d d i t i o n,l a t e s t r e s e a r c h e so ne l i m i n a t i n g d e f e c t s a n d t h u s i m p r o v i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fAMa l u m i n u ma l l o y sw e r e s u m m a r i z e d f r o mt h r e e a s p e c t s:p r o c e s s p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o na n dn u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n.Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月T h i s w o r k d e m o n s t r a t e s t h a t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r a n d a l l o y c o m p o s i t i o n s h o u l d b e r e g u l a t e d s y n e r g i s t i c a l l y t o i m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y,a n dt h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n ts h o u l da l s ob ei n v e-s t i g a t e d.K e y w o r d s:m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t h a l u m i n u ma l l o y;a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g;d e f e c t;p r o c e s s p a r a m e-t e r o p t i m i z a t i o n;a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o n;n u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n铝合金因具有比强度高㊁导热导电性良好和耐腐蚀等优点,一直作为最重要的轻质金属结构材料被广泛应用于航空航天㊁交通运输㊁电力传输㊁机械制造㊁核电和建筑等国家战略产业[1]㊂如今这些行业的快速发展不仅要求铝合金具有优良的服役性能,对其制备过程也提出了越来越高的要求,传统的减材制造方法已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂因此,探索更为稳定㊁智能的铝合金零件制备方法成为铝合金行业亟待解决的难题㊂增材制造是一种新兴的快速成形技术,其本质是以数字化模型为基础,在计算机的指令下,将金属粉末或丝材通过逐道次㊁逐层制造的方式制备成三维金属零件㊂因此,增材制造能够摆脱模具的限制,以近净成形的方式高效制备结构高度复杂的金属零件,为铝合金零件的制备提供了崭新的思路㊂然而,增材制造往往采用激光束或电子束作为能量源,使合金在极高的温度梯度和冷却速率条件下发生凝固;此外,中高强铝合金具有高热导率和激光反射率㊁宽凝固温度范围等本征性质㊂因此,采用增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,其中热裂纹问题最为严重,损害零件的力学性能和使用安全性,限制其实际生产应用㊂本文总结了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展和发展趋势㊂1中高强铝合金铝合金是以纯铝为基础的合金总称,主合金元素有铜㊁硅㊁锰㊁锌㊁镁等,微量合金元素包括镍㊁铁㊁钛㊁铬㊁锂等[1],根据主合金元素的不同可分为八大类铝合金[2]㊂其中2ˑˑˑ(A l-C u),6ˑˑˑ(A l-M g-S i)和7ˑˑˑ(A l-Z n-M g)系铝合金为中高强铝合金,都属于可热处理强化型铝合金,经过固溶+高温人工时效(160~200ħ)热处理后可达到峰值时效(T6)状态㊂T6态中高强铝合金的高密度纳米析出强化相阻碍位错运动,产生时效强化效果使其强度达到最高值㊂2/6/7ˑˑˑ系中高强铝合金中的合金元素含量较低,都属于变形铝合金[3]㊂目前铝合金零件的制备主要依靠 铸造 变形加工 去除切削 热处理 流程[4],首先通过熔炼和铸造生产出铝合金铸坯锭,随后对其进行轧制㊁挤压㊁冷拔㊁锻造或冷冲变形加工,制成板㊁带㊁管㊁棒或线状铝合金零件半成品,最终通过去除处理(如铣削㊁锯切等方式)和热处理得到自由形状铝合金零件成品㊂不难看出,上述传统制造过程会产生大量工业废气废水㊁铝灰废渣和工业噪声等㊂进入21世纪以来,世界各国普遍意识到 节能减排,绿色发展 的必要性,我国更是提出 努力争取2060年前实现碳中和 的奋斗目标,因此,响应国家优化能源结构㊁建立健全绿色低碳循环发展的号召,探索更为环境友好的中高强铝合金制造方法成为亟待解决的难题㊂2金属增材制造2.1金属增材制造特点金属增材制造的过程可分为4步:(1)通过计算机辅助设计-计算机辅助制造(C A D-C AM)软件建模,设计出所需要的复杂结构[5];(2)将三维模型转化为S T L格式的文件,即将物体模型的所有表面都近似处理为多边形结构[6];(3)将S T L格式的模型分切成无数个横截面,即逐层切片[7];(4)指导打印机逐层㊁逐行㊁逐点打印㊂金属增材制造颠覆了传统减材制造的流程规划和理念模式,对传统制造业向现代制造业的转变产生了深刻影响[8-9]㊂增材制造的显著特征可概括为以下3点:(1)近净成形,仅需要少量甚至无须后加工,一方面节省大量工序而节约制造成本,另一方面节约大量原材料而提高材料利用率;(2)敏捷成形,成形速率快,提高实际生产效率;无须模具,在前期产品设计阶段可以随时根据设计好的成品来调试,从而实现设计快速迭代而缩减反复开模所耗费的成本及时间;(3)自由成形,通过逐层制造摆脱模具限制,提高设计自由度和制造灵活度,可以实现高度复杂结构制造,提高产品的个性化程度㊂03Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展2.2 金属增材制造技术分类目前金属直接增材制造技术可大致分为直接能量沉积技术(d i r e c t e n e r g y d e po s i t i o n ,D E D )和粉末床熔融技术(p o w d e r b e d f u s i o n ,P B F )㊂其中,D E D 又可分为激光熔融沉积(l a s e rm e l t i n g d e p o s i t i o n ,L M D )和电弧增材制造(w i r e a r c a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e ,W A A M ),P B F 又可分为选区激光熔融(s e l e c t e d l a s e rm e l t i n g ,S L M )和电子束选区熔融(e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g,E B S M )㊂表1为各类增材制造技术及其特点[10]㊂D E D 适用于大体积零件制造,其中L M D 更适用于材料-结构-性能一体化制造,而W A A M 具有低成本的特点;P B F 则更适用于小尺寸精密零件制造,其中S L M 制造的零件精度更高㊁表面质量更好,而E B S M 制造产生的残余应力更低㊂因此,研究人员可以根据金属零件的用途选择合适的增材制造技术,利用合适的金属粉末或丝材制造出金属零件成品或半成品㊂表1 各类增材制造技术及其特点[10]T a b l e 1 D i f f e r e n t a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n i qu e s a n d f e a t u r e s [10]A d d i t i v em a n u f a c t u r i n g R a w m a t e r i a lE n e r g y s o u r c eF e a t u r eD E D L M D M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g he f f i c i e n c y f o rm a n u f a c t u r i n g ;h i g h f l e x i b i l i t y;s u i t a b l e f o r l a r g e -v o l u m e p a r t s ;s u i t a b l e f o rm u l t i p l em a t e r i a l sm i x i n gWA AMM e t a lw i r e L a s e r b e a m H i g hm a t e r i a l a v a i l a b i l i t y ;l o w p r o d u c t i o nc o s t ;s u i t a b l e f o r l a r ge -v o l u m e p a r t s P B F S L M M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g ha c c u r a c y ;s u i t a b l ef o r h igh l y c o m p l e x p a r t s ;hi gh s u r f a c e q u a l i t y ;lo wl a s e r p o w e r E B S MM e t a l p o w d e rE l e c t r o nb e a mL o wr e s i d u a l s t r e s s ;h i g he f f i c i e n c y fo r t h e d e f l e c t a b l e e l e c t r o n b e a m3 增材制造中高强铝合金的缺陷目前,增材制造中高强铝合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战[11-13]㊂一方面,在激光/电子束增材制造过程中会引入很大的温度梯度(约106K/m )和凝固速率(约10-2m /s)[14],这将导致极高的冷却速率|̇T |(约104K /s ),因此容易形成柱状晶晶粒形貌[15-16],如图1所示[15];另一方面,由于中高强铝合金的某些本征性质,通过增材制造技术制备时容易形成各类缺陷而损害其性能㊂目前可用于增材制造的铝合金还局限于近共晶成分铝合金,如A l S i 10M g[17-18],A l S i 12[19-21],A l S i 7M g 0.3(A 356)[22-23],A l -10C e [11]和图1 合金凝固过程中的凝固速率㊁温度梯度和晶粒形貌之间的关系[15]F i g .1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o l i d i f i c a t i o n r a t e ,t e m pe r a t u r e g r a d i e n t a n dm i c r o s t r u c t u r e d u r i n g a l l o y so l i d i f i c a t i o n [15]A l -N i [24]合金等㊂3.1 热裂纹铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性,其中以凝固裂纹问题最为严重㊂热裂纹往往会沿着粗大柱状晶之间的晶界开裂,并贯穿于多层打印层之间,严重损害其机械强度㊁疲劳寿命和断裂韧度㊂铝合金极高的热裂纹倾向性主要与本征性质有关㊂(1)热导率较高[25]㊂在增材制造很高的加工温度下,铝合金凝固时很难获得足够的过冷度,因此凝固形核率低,普遍形成柱状晶的微观结构㊂(2)激光反射率高[26]㊂对于波长为1064n m 的激光吸收率仅为5%~15%,为了使铝合金粉末充分熔化凝固,需要提高增材制造过程中的激光功率[27],故加工过程中的温度梯度和冷却速率进一步提高,形成的柱状晶较其他材料而言也更为粗大㊂(3)中高强铝合金的凝固温度范围普遍较大(固/液相线距离远)[28]㊂如7075铝合金的凝固范围为Δ170K (如图2(a )橙色线所示),而A l S i 10M g 合金的凝固范围仅为Δ30K (如图2(a )蓝色线所示)[29]㊂因此,不同于A l S i 10M g 中的短小枝晶,中高强铝合金凝固时有较长时间处于液固共存状态(糊状区),在缺少形核位点的情况下进而形成枝晶和枝晶间液体长通道(图2(b ))[29],这将导致:①枝晶内和枝晶间在凝固过程中的凝固程度不同,易引入热应力而促进热裂纹萌生[30-31];②糊状区的枝晶网络错综复杂,阻碍液体向体13Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图2增材制造铝合金的凝固行为[29](a)凝固曲线;(b)不同凝固温度区间下的凝固机理图F i g.2 S o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d a l u m i n i u ma l l o y s[29] (a)s o l i d i f i c a t i o n c u r v e s;(b)s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f s o l i d i f i c a t i o nu n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e r a n g e s积收缩区域流动,导致中高强铝合金的流动性差,难以弥补体积收缩区域的体积变化,从而促进热裂纹萌生[28,32]㊂(4)合金在激光增材制造凝固过程中温度梯度极大,易引入大量热应力[33-34],再加上中高强铝合金的热膨胀系数大[27],凝固时体积收缩明显,极易在柱状晶薄弱晶界处形成热裂纹(凝固裂纹)[35],且由于柱状晶较为粗大,热裂纹往往会存在于数层打印层之间㊂(5)合金元素在增材制造快速凝固过程中来不及充分扩散,易在能量㊁结构㊁成分起伏较大的晶界处富集[29]㊂因此,当铝合金完全凝固后,在柱状晶间的晶界处会形成大量脆性金属间化合物,在逐层累积的热应力作用下容易作为热裂纹萌生源而发生开裂(液化裂纹)㊂3.2孔洞孔洞的存在也会降低材料的致密度而损害其性能㊂中高强铝合金在增材制造过程中易形成匙孔㊁气孔和未熔合缺陷(图3)㊂孔洞特征和形成原因为:(1)匙孔:大型不规则孔洞(图3(a))㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素沸点较低,分别为1107ħ和907ħ㊂在较高激光能量作用下易发生选择性蒸发,产生朝向熔池底部的㊁大于液态金属表面张力的反冲压力,形成轮廓凹凸不平㊁内部空腔的匙孔㊂(2)气孔:球形孔洞(图3(b))是增材制造金属中最普遍的孔洞类型㊂铝合金粉末的吸湿度较高[36-37],水分子在高激光功率的作用下形成氢气,而氢气在液态㊁固态铝合金中的溶解度变化极大,分别为0.65 m L/100g和0.034m L/100g[6,38],即在铝合金凝固时氢气的溶解度降低近100%㊂但是,铝合金在3D打印过程中的凝固速率极快,这部分多余的氢气来不及充分扩散而被困在固态铝合金中,最终形成氢孔㊂(3)未熔合缺陷:小型不规则孔洞(图3(c))㊂铝合金粉末的激光反射率高,导致激光熔融过程中用于熔化合金粉末颗粒的激光能量不足,使相邻层之间的熔融重叠不充分,从而导致相邻层间形成未熔合孔洞㊂图3各类孔洞尺寸示意图(a)匙孔;(b)气孔;(c)未熔合缺陷F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m s o f d i f f e r e n t p o r o s i t i e s(a)k e y h o l e;(b)g a s p o r e;(c)l a c ko f f u s i o nd e f e c t23Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展此外,铝合金粉末的流动性较差[39-40],难以连续㊁稳定地送入熔池中,再加上铝合金粉末颗粒表面易形成合金氧化物,均导致铝合金粉末颗粒与基材接触不良㊂基于最小表面能原理,液态金属在表面张力的作用下可能会收缩为球形,这种球化作用同样会使铝合金形成未熔合缺陷㊂3.3元素挥发增材制造过程中的激光能量较高,若合金中某些元素的沸点低于合金母材沸点,则可能会发生选择性蒸发㊂表2为S L M增材制造铝合金的化学成分㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素在较高激光功率熔融时易挥发[25],合金成分易发生波动而引起成分变化,这表2S L M增材制造铝合金的化学成分(质量分数/%)T a b l e2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y s(m a s s f r a c t i o n/%)A l l o y A l l o y s t a t e Z n M g N i M n C u F e C r S i T i A l A A2017A l l o yp o w d e r0.210.720.0090.5704.000.400.0160.5600.051B a lP r o t o t y p i n gp a r t0.070.480.0130.6103.900.500.0350.5800.031B a l A A7020A l l o yp o w d e r4.301.300.0060.2900.100.290.1300.0770.025B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.001.000.0090.3000.170.310.1400.1300.024B a l A A7075A l l o yp o w d e r5.802.600.0070.0541.400.250.1800.0810.034B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.902.100.0070.0571.500.270.2000.1100.036B a l将改变材料的凝固组织㊁力学性能和耐腐蚀性等㊂3.4氧化现象由于氧化铝的热力学稳定性较高,铝合金粉末表面极易产生氧化膜㊂尽管增材制造过程中不断充入惰性气体,但真空腔室中仍会有0.1%~0.2%的氧气残留,这导致在逐层打印过程中会发生氧化现象[9]㊂一方面,增材制造过程中的氧化现象会显著降低增材制造铝合金的零件质量;另一方面,打印层之间的氧化会导致下一打印层中的合金粉末颗粒团聚,使粉末分布不均匀,严重损害零件的结构完整性和精度㊂因此,抑制氧化膜的形成不仅可以提高增材制造铝合金零件的质量,还可以有效改善其力学性能㊂4增材制造中高强铝合金的研究进展研究表明,增材制造金属零件中普遍存在孔洞缺陷[41]㊂这种缺陷是难以避免的,即使后续进行热处理(如应力释放㊁退火和热等静压等)和表面处理(如机械/电解抛光㊁喷丸处理和振动磨削等)也很难将其完全消除[42-44]㊂然而,增材制造金属零件中的热裂纹是可以消除的㊂4.1优化工艺参数优化工艺参数[28,45-46],是通过调控合金凝固时的冷却速度和温度梯度,控制柱状晶的生长,减少热应力的逐层累积,最终达到消除增材制造中高强铝合金零件中的热裂纹的目的㊂增材制造常规的工艺参数主要包括激光功率㊁扫描速度㊁扫描策略㊁激光移动间距㊁层厚和束斑直径等㊂L M D增材制造工艺参数还包括送粉速率㊂目前研究大多通过调控激光功率和扫描速度这2个工艺参数来抑制热裂纹的形成㊂C a i a z z o等[47]采用L M D制备2024铝合金零件,研究发现在送粉速率为3g/m i n㊁束斑直径为3m m 下,激光功率为2.5k W㊁扫描速度为420m m/m i n是最佳的工艺参数,此时零件的几何稳定性最好㊁表面质量最佳㊂Z h a n g等[13]采取S L M制备A l-C u-M g(成分近2024)铝合金,研究发现通过调控扫描速度和激光间隔距离,将激光能量密度提高至340J/m m3以上可以保证零件致密度并消除其中的热裂纹,其原始态抗拉强度可达402M P a㊂D e n g等[48]采用S L M制备2124铝合金零件,研究发现使用中空结构的栅栏支架可以有效释放热应力,从而抑制热裂纹形成㊂激光功率为150W㊁扫描速度为100m m/s时的零件致密度最高㊁力学性能最佳,原始态抗拉强度可达301M P a㊂O k o等[49]采用S L M制备7075铝合金零件,研究发现适当提高激光功率㊁降低扫描速度和激光移动距离可以有效提高零件致密度和硬度㊂此外,研究人员发现当采用P B F增材制造金属零件时,粉末床温度也可作为工艺参数变量进行调控,从而减弱热应力的累积而抑制热裂纹萌生㊂K e n e v i s i 等[50]采用E B S M制备2024铝合金零件,研究发现在将粉末床温度固定为350ħ的基础上,通过调控扫描速度将输入能量密度控制在43J/m m3时的零件致密度最高㊁力学性能更佳,原始态抗拉强度可达314M P a㊂U d d i n等[45,51]采用S L M制备6061铝合金零件,研究发现将粉末床温度从室温提高至500ħ可以有效抑制热裂纹形成,但其力学性能仍远低于铸造6061铝合金(硬度54H V,屈服强度60M P a,抗拉强度130M P a,33Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月均匀伸长率15%)㊂M a a m o u n 等[52]采用S L M 制备6061铝合金零件,在将粉末床温度固定为200ħ的基础上,研究发现在激光功率为370W ㊁扫描速度为1000m m /s ㊁激光间隔距离为0.19m m (能量密度为47.2J /m m 3)时的热裂纹尺寸最小㊁数量最少,此时抗拉强度达最大值为184M P a ㊂然而,K a u f m a n n 等[12]采用S L M 制备7075铝合金零件时,研究发现将粉末床温度提高至200ħ并不能有效抑制热裂纹的形成㊂4.2 优化合金成分优化合金成分可以通过调控合金中S i ,N i 等元素的含量,提高共晶相的含量,并缩小合金凝固时的温度范围,从而改善合金的流动性并抑制合金的热膨胀;也可以通过调控合金中Z r ,S c 等元素的含量,提高铝合金凝固时的成分过冷度,从而提高凝固形核率而细化晶粒形貌,最终达到抑制热裂纹的萌生㊂M o n t e r o -s i s t i a ga 等[53]和O t a n i 等[54-55]均采取S L M 制备7075铝合金零件,研究发现提高合金中S i元素的含量可以使原粗大柱状晶明显细化,解决了热裂纹问题(图4(a )~(d)[53]),其原始态抗拉强度可达537M P a ,伸长率9.7%㊂L i 等[56]采用S L M 制备7075铝合金零件,研究发现引入S i 和Z r 元素可以促使形成等轴-柱状双晶粒结构(图4(e )),有效抑制热裂纹的产生,在激光功率为300W 时可达到最佳力学性能,原始态屈服强度为397M P a ,抗拉强度为446M P a ,伸长率为6.5%㊂在采用S L M 制备6061铝合金零件方面,M e h t a等[57]通过气雾化制备了6061-0.01Z r 铝合金粉末,C a r l u c c i o 等[58]和Q b a u 等[59]制备了6061-S c 铝合金粉末㊂研究发现,引入Z r 或S c 元素可以细化粗大柱状晶,并在熔池边界处形成等轴晶(图4(f ),(g)[57]),有效抑制热裂纹的萌生和外延生长,显著改善S L M 增材制造6061铝合金的力学性能,其中6061-0.01Z r的原始态抗拉强度为268M P a ,伸长率为26.5%㊂图4 7075(a )和7075-4S i (b )的OM 图[53],7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]和6061-0.01Z r (g)[57]的E B S D 图F i g .4 OMi m a g e s o f 7075(a )a n d 7075-4S i (b )[53],E B S D i m a ge s of 7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]a n d 6061-0.01Z r (g)[57]4.3 添加形核剂添加形核剂引入异质形核位点可以促进柱状晶向等轴晶转变,利用等轴晶粒比柱状晶更易旋转和变形㊁更能承受高热应力的特点而减弱热裂纹倾向性,并削弱成品零件的各向异性㊂目前研究普遍采用在中高强铝合金粉末中引入含Z r ,S c 或T i 元素的形核剂,从而增加形核位点㊂4.3.1 添加含Z r /S c 元素的形核剂M a r t i n 等[29]采用S L M 制备6061和7075铝合金零件时,通过在铝合金粉末中加入Z r H 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶晶粒形貌,基本消除热裂纹(图5(a )~(d ))㊂O p pr e c h t 等[46,60]采取S L M 制备6061铝合金零件,并通过加入2%(体积分数)的Y S Z 粉末(94.3Z r O 2-3.6Y 2O 3-1.7H f O 2-0.4A l 2O 3)形成明显的等轴-柱状双晶粒结构,此时等轴晶区域面积足够大,可以完全消除其中的热裂纹(图5(e ),(f))[46]㊂通过透射电子显微镜和X 射线衍射分析,O p pr e c h t 认为在激光作用下Y S Z 颗粒首先熔化或发生其他化学反应,释放出大量Z r 原子,在随后的凝固过程中以A l 3Z r 第二相的形式在熔池边界处析出,为α-A l 的凝固提供大量形核位点,从而促使在熔池边界处形成等轴晶㊂43Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展图5 S L M 增材制造7075(a )和7075/Z r H 2(b )的S E M 图[29],7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46]的E B S D 图,以及6061-2%Y S Z (f)的OM 图[46]F i g .5 S E Mi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d 7075(a )a n d 7075/Z r H 2(b )[29],E B S D i m a g e s o f 7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46],a n dOMi m a g e of 6061-2%Y S Z (f )[46]4.3.2 添加含T i 元素的形核剂T a n 等[61]采用S L M 制备2024铝合金零件,并通过在2024铝合金粉末中加入纯T i 纳米颗粒,成功将粗大柱状晶转变为细小等轴晶(图6(a )~(d )),并完全消除热裂纹,其T 6态的屈服强度为286M P a ,抗拉强度为432M P a ,伸长率为10%㊂C a r l u c c i o 等[58]采用S L M 制备6061铝合金零件,并通过在6061铝合金粉末中添加T i B o r细化剂,成功将粗大柱状晶完全转变为等轴晶㊂L e i 等[62]和J i a n g 等[63]采用LM D 制备7075铝合金零件,并通过加入4%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶(图6(e ),(f))[62],其平均晶粒尺寸降低至16.8μm ,硬度提高至128H V ㊂C h e n 等[64]采用L M D 制备2024铝合金零件,并通过加入0.5%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶,其平均晶粒尺寸从431μm 降低至114μm ㊂W a n g 等[65]采用S L M 制备A l -3.5C u -1.5M g-1S i (成分近2024)铝合金零件,研究发现加入5%(体积分数)的T i B 2形核剂粉末可以产生明显的晶粒细化效果,其原始态平均晶粒尺寸从23μm 降低至2.5μm ,原始态屈服强度从157M P a 提高至191M P a㊂5 结束语增材制造常规的工艺参数可分为能量相关工艺参数和几何相关工艺参数㊂能量相关工艺参数包括激光功率㊁扫描速度㊁束斑直径等,与金属粉末颗粒的逐点熔化有关,主要保证提供连续的能量输入;而几何相关工艺参数包括激光间隔距离㊁层厚㊁扫描方式等,体现了各扫描轨道和各层的熔融制造存在一定间隔㊂由于增材制造逐点㊁逐道次㊁逐层的制造特点,故在制造过程中存在本征的层间停留时间等非常规工艺参数,这些增材制造工艺参数也会对成品零件的微观结构和力学性能产生显著影响㊂合金成分决定了溶质原子的分布情况和扩散过程,而溶质原子是产生成分过冷的根本原因,因此合金成分对晶粒形貌有着决定性作用㊂在增材制造中高强铝合金时,可以通过调控合金元素含量而优化合金成分,也可以通过添加形核剂而引入异质形核位点,二者都可以用于改善增材制造中高强铝合金的微观组织并提高其力学性能㊂总而言之,工艺参数和合金成分是影响增材制造中高强铝合金的微观结构和力学性能的两个关键性因素,二者相互影响㊁相互依存,均通过控制热作用和溶质再分配作用而影响增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂然而,当前有关增材制造中高强铝合金的研究中,针对工艺参数和合金成分的优化探索较为分裂,在未来,需要将二者相结合㊁相配合,以综合改善增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂53Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图6S L M增材制造2024(a)和2024-T i(b)OM图[61],S L M增材制造2024(c)[61]和2024-T i(d)[61],L M D增材制造7075(e)[62]和7075-4T i B2(f)[62]的E B S D图F i g.6 OMi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(a)a n d2024-T i(b)[61],E B S D i m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(c)[61]a n d2024-T i(d)[61],L M Da d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d7075(e)[62]a n d7075-4T i B2(f)[62]值得注意的是,增材制造铝合金时M g,Z n等元素的挥发会使合金成分发生波动,在通过调控合金元素含量或添加形核剂而优化晶粒形貌的研究中,合金成分更是发生明显改变㊂此时,适用于传统铝合金的热处理方法已不再适用于增材制造铝合金,因此,未来需要进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂参考文献[1] D A V I S JR.A l u m i n u ma n d a l u m i n u ma l l o y s[M].R u s s e l l,U S A:A S Mi n t e r n a t i o n a l,1993:352-356.[2] N A K A IM,E T O T.N e wa s p e c t o f d e v e l o p m e n t o f h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y s f o r a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2000,285(1/2):62-68.[3]谢水生,刘静安,徐骏,等.简明铝合金加工手册[M].北京:冶金工业出版社,2016:36-40.X I ESS,L I UJA,X UJ,e t a l.C o n c i s em a n u a l f o r a l u m i n u ma l l o y p r o c e s s i n g[M].B e i j i n g:M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s,2016:36-40.[4] M C Q U E E N HJ,S P I G A R E L L I S,K A S S N E R M E,e t a l.H o t d e-f o r m a t i o na n d p r o c e s s i ng o fa l u m i n u m a l l o y s[M].B o c aR a t o n,F l o r i d a,U S A:C R CP r e s s,2011:25-52.[5] S A C H SE,C I MA M,W I L L I AM S P,e ta l.T h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g:r a p i d t o o l i n g a n d p r o t o t y p e s d i r e c t l y f r o maC A D m o d e l [J].J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g f o r I n d u s t r y,1992,114(4):481-488.[6] B O E I R A A P,F E R R E I R AIL,G A R C I A A.A l l o y c o m p o s i t i o na n dm e t a l/m o l dh e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y a f f e c t i n g i n v e r s e s e g r e g a-t i o na n d p o r o s i t y o f a s-c a s tA l-C u a l l o y s[J].M a t e r i a l s&D e s i g n, 2009,30(6):2090-2098.[7] B R A N D LE,H E C K E N B E R G E RU,H O L Z I N G E RV,e t a l.A d d i-t i v em a n u f a c t u r e dA l S i10M g s a m p l e s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g (S L M):m i c r o s t r u c t u r e,h i g hc y c l e f a t i g u e,a n df r a c t u r eb e h a v i o r [J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2012,34:159-169.[8] D E B R O Y T,W E IH,Z U B A C KJ,e ta l.A d d i t i v em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c c o m p o n e n t s-p r o c e s s,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s[J].P r o-g r e s s i n M a t e r i a l s S c i e n c e,2018,92:112-224.[9] A B O U L K H A I R N T,S I M O N E L L I M,P A R R Y L,e ta l.3Dp r i n t i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s:a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].P r o g r e s s i n M a t e r i a l sS c i-e n c e,2019,106:100578.[10] G U D,S H IX,P O P R AW E R,e ta l.M a t e r i a l-s t r u c t u r e-p e r-f o r m a n c e i n t eg r a t e d l a s e r-m e t a l a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g[J].S c i-e n c e,2021,372(6545):932.[11] Z H O U L,HU Y N H T,P A R KS,e t a l.L a s e r p o w d e rb e d f u s i o no fA l-10w t%C e a l l o y s:m i c r o s t r u c t u r e a n d t e n s i l e p r o p e r t y[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,2020,55(29):14611-14625.[12] K A U F MA N N N,I M R A N M,W I S C H E R O P PT M,e t a l.I n f l u-e n c eof p r o c e s s p a r a m e t e r s o n t h e q u a l i t y o f a l u m i n i u ma l l o y E NAW7075u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g(S L M)[J].P h y s i c sP r o-c ed i a,2016,83:918-926.[13] Z H A N G H,Z HU H,Q IT,e t a l.S e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g o f h i g hs t r e n g t h A l-C u-M g a l l o y s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r ea n d m e-c h a n i c a l p r o p e r t i e s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2016,656:47-54.[14] H O O P E RPA.M e l t p o o l t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g r a t e s i n l a s e r63Copyright©博看网. 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大型复合材料壁板先进制造技术及应用李林【摘要】The large and integrative composite panels can not only reduce the plane weight, but also improve the plane performance, simplify assembly. Because of layup complexity in the large-sized co-cured composite part, it is dif-ficult for traditional molding technology and quality is unstable. With the theory of design for manufacture, DFM, and ap-plying the advanced digital manufacture technique to the composite part , it is a good method for solving the large-sized composite panel manufacture.%大型整体化的复合材料壁板会起到较好的减重效果,明显提升飞机的整体效能,简化装配工艺.大尺寸共固化的复合材料制件铺层结构复杂,传统成型工艺难度大,质量稳定性差,组合元件形位尺寸有偏差.随着设计制造一体化(DFM)理念的出现,先进数字化制造技术在复合材料零件制造方面的应用很好地解决了大尺寸复合材料壁板类零件制造的难题.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)011【总页数】5页(P105-109)【关键词】设计制造一体化;自动铺带;加热预成型;激光定位组合【作者】李林【作者单位】航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司,沈阳 110850【正文语种】中文相较金属材料，复合材料有较好的比刚度、比强度、耐疲劳、抗冲击、耐腐蚀性能。