谷專欄是3D科學谷內容板塊：谷前沿、谷透視、谷研究、谷專欄這四大板塊之一。谷專欄基於3D科學谷願景：貢獻於製造業附加值創造，貢獻於人類可持續發展。其目的是透過攜手科研機構、科學家、企業研發與應用團隊，與業界分享對推動增材製造發展起關鍵作用的共性基礎科研與應用成果。
根據3D科學谷的市場瞭解，儘管與其前身波音777相比，鋁的使用量有所減少（從 50% 下降），但鋁仍然在飛機機身的大多數前緣以及尾翼和水平穩定器中發揮著關鍵作用。因此，採用粉末床熔化或定向能量沉積工藝的增材製造 (AM) 技術加工鋁合金對於製造傳統和新型飛機部件非常重要。
根據德克薩斯大學的專利，研究人員提出了一種使用增材製造形成無裂紋鋁合金結構的方法。本期谷.專欄，將分享這一科研成果的主要介紹。
鋁合金系列
3D科學谷白皮書
實現鋁合金產品複雜形狀
鋁合金6601（AA6061）是一種可熱處理材料，主要由鋁、矽和鎂組成，並含有少量鐵、銅、鉻、鋅、錳和鈦。該材料的常見應用包括製造飛機和汽車部件。傳統上，AA6061 是鑄造然後使用軋製、鍛造或擠壓成型的。該合金透過適當的填充材料提供了良好的機械加工效能和可焊性，儘管最大抗拉強度降低到退火條件下的抗拉強度，從 210 MPa 的回火強度降低到 120 MPa。
Velo3D
然而，傳統的成型技術，如軋製、鍛造和擠壓，在充分利用高強度重量比、耐腐蝕性和導熱性（高達 167 W/mK）的理想組合的同時，還沒有完全實現複雜的幾何形狀。也就是說，傳統的成型技術無法或難以實現複雜的內腔、隨形冷卻和薄壁特徵。
此外，AA6061 鋁合金的鑄造過程困難，AA6061 易於熱裂。熱裂與合金成分具有確定的相關性。AA6061屬於Al–Mg–Si–Fe-Ti系。據報道，在 0.3-0.4% Fe、0.5% Mg、0.5% Si 和 0.15% Ti 時具有接近 AA6061 的最大熱裂敏感性。
預熱與工藝控制的配合
德克薩斯大學的專利US 20190039183 A1（Method and system for powder bed fusion additive manufacturing of crack-free aluminum alloys）旨在解決這樣的問題，使得製造的部件不表現出開裂並保持相對高的密度。鋁合金粉末包括AA6061、AA2014、AA2017、AA2024、AA2219、AA5083、AA7050、AA7075、AA7150、AA7178或AA7475。
該專利通考慮到液態金屬的表面張力透過驅動晶界的潤溼性和枝晶間液態金屬流動來影響凝固裂紋。專利提出了在鐳射熔化之前和期間使用感應加熱來加熱粉末床的方法。粉末床的高溫降低了凝固速率，確保了更一致的凝固以消除熱撕裂。
由於鋁合金前體粉末已經處於高溫狀態並且需要較少能量來熔化金屬，因此需要較少的鐳射功率，與不包括加熱粉末床的系統相比，飛濺（即從鐳射加工區域噴出的粉末顆粒）的發生會減少。以這種方式，粉末的使用效率更高，因為它不會被高功率鐳射濺射和損壞，從而導致粉末浪費。
透過掃描策略、功率調製和動態引數變化提供了更精確地控制粉末/零件溫度的手段。光學高溫計、紅外成像（IR 攝像機）、熱電偶可單獨或組合使用來監測和控制粉末溫度。最好使用多波長高溫計，以消除對溫度讀數的發射率依賴性。引數在空間上變化，以建立特定於材料內沉澱物的形成和晶粒形態的漸變或梯度微結構。
研究人員還考慮到在 AA6061 和 AA7075 中引入諸如 Zr 等外來顆粒將要求對改性材料進行重新鑑定和認證，以用於航空航天和其他關鍵應用。研究人員認識到並考慮到透過 Zr 奈米顆粒對前體粉末進行功能化需要額外的程式，包括可能會增加加工成本的靜電組裝技術。
最終，使用 LPBF鐳射粉末床熔化金屬3D列印技術生產的 AA6061 試樣的光學顯微鏡 (OM) 表徵揭示了良好分散和大尺寸沉澱物的存在。在顯微照片中也明顯的是沒有熔池和熔道，展示了使用具有高溫粉末床加熱的LPBF來無裂紋地製造AA6061。
3D列印的鋁合金零部件隨後也進行了熱處理，透過在 520°C下T6回火，並以 3°C/min 的速度冷卻至室溫 (25°C)。這種處理產生了約 280 MPa 的屈服強度、約 310 MPa 的極限抗拉強度和 3.5% 的伸長率。雖然屈服值和極限抗拉強度值處於 T6 狀態的上限，但伸長率低於該狀態下約 5% 的正常低值。
將選區鐳射熔化LPBF 金屬3D打印製造的 AA6061 的最終拉伸效能鍛造 AA6061零件進行了比較。LPBF 製造的樣品的屈服強度和極限抗拉強度與鍛造產品的相應效能相當。然而，在 LPBF 製造的樣品中存在延展性的損失，預計隨著進一步的引數最佳化和工藝改進，這種情況會有所改善。
迅速發展的鋁合金增材製造研究
l 確定硬度值穩定的最佳溫度
根據3D科學谷的瞭解，上海交通大學特種材料研究所發表了《透過熱裂敏感性係數設計具有一定熱穩定性的鋁合金的方法》。相關論文以題目“Design, microstructure and thermal stability of a novel heat-resistant Al-Fe-Ni alloy manufactured by selective laser melting”發表在《Journal of Alloys and Compounds》上。研究團隊設計並透過鑄造實驗確定了用於SLM的Al-Fe-Ni合金成分，並對合金的熱穩定性進行了進一步的評估。最終確定合金硬度值穩定的溫度為300℃，並且經長達兩天的熱暴露後硬度值幾乎沒有下降。證明設計成分的合金在300℃具有較好的熱穩定性。隨後的組織分析也證明了，晶粒尺寸和Al9FeNi相的在300℃下的穩定是其硬度值保持穩定的重要原因。
l新增成核劑
來自法國學者Mathieu Opprecht等人的研究表明，新增一定數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）可以誘導晶粒細化，改變3D列印6061鋁合金材料的微觀結構，從而消除熱裂紋現象，相關論文發表在Acta Materialia期刊中。
有兩種方法可以進行晶粒細化。第一種方法是在列印過程中控制熱應力。第二種方法是透過改變合金成分或在基礎粉末中直接新增成核劑來增強異相成核。
法國學者Mathieu Opprecht等人將不同數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）新增到Al6061基礎粉末中。實驗發現，晶粒細化效果取決於新增的YSZ量。從1％（體積分數）開始，SEM和EBSD影象顯示出呈雙峰分佈的等軸柱狀晶粒的微觀結構。結果表明，新增2％（體積分數）的YSZ可以完全避免熔池邊界上的裂紋。
深入瞭解鋁金屬市場供應鏈分析，鋁金屬3D列印，列印工藝、建模、模擬、專利，鋁合金與高強度鋁合金複合材料，請前往3D科學谷釋出的《鋁金屬3D列印白皮書》。
網站投稿 l 傳送至[email protected]
