高強(qiáng)度鋁合金增材制造面臨的挑戰(zhàn)和混合增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀（1）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文研究了高強(qiáng)度鋁合金增材制造面臨的挑戰(zhàn)和混合增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀。本文為第一部分。

增材制造(AM)工藝，也被稱為3D打印，使幾何復(fù)雜的零件可以在掃描物體或使用設(shè)計(jì)軟件生成的三維(3D)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，一層一層地生產(chǎn)出來(lái)。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，AM省去了生產(chǎn)步驟，允許從3D模型設(shè)計(jì)中快速且相對(duì)容易地建立物理對(duì)象的原型，并復(fù)制現(xiàn)有的對(duì)象。在過(guò)去的二十年里，AM工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)部門的復(fù)雜形狀部件的制造，其主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是在航空航天工業(yè)。該部門廣泛使用高強(qiáng)度鋁合金，因?yàn)槠涓邚?qiáng)度重量比和剛度重量比以及優(yōu)良的可加工性。

然而，AM工藝對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的適用性仍然受到增材制造(AMed)鋁部件中存在的幾種不可忽視的問(wèn)題和缺陷的限制。多年來(lái)，大量的研究致力于最小化或消除這些缺陷，從而擴(kuò)大AM在高強(qiáng)度鋁合金中的應(yīng)用范圍。本文綜述了航空航天用高強(qiáng)度鋁合金的AM研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)是AMed 2xxx和7xxx系列合金的缺陷和問(wèn)題，以及新型混合AM工藝的最新發(fā)展，以最小化或消除缺陷。

1. 介紹
高強(qiáng)度鋁合金因其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比和剛度重量比以及良好的可加工性而被廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)的結(jié)構(gòu)件制造中。由于航空航天零件的幾何復(fù)雜性，傳統(tǒng)的減法制造方法在制造過(guò)程中面臨著巨大的挑戰(zhàn)。然而，由于要制造的組件體積小、價(jià)值高和幾何復(fù)雜性高，AM過(guò)程適合于這一領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，AM流程可以實(shí)現(xiàn)部件整合，即通過(guò)設(shè)計(jì)和制造具有更復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部件，減少飛機(jī)部件的總數(shù)。零部件整合的好處包括降低生產(chǎn)成本和零部件失效風(fēng)險(xiǎn)，更好的產(chǎn)品性能，包括高強(qiáng)度重量比和輕量化，以及隨著零部件復(fù)雜性的增加而降低材料使用量。由于這些原因，航空航天工業(yè)已經(jīng)在上大規(guī)模采用了AMed組件。

從支架到閘門的一次能源結(jié)果的案例研究組件。

使用LCI模型，對(duì)每個(gè)案例研究中被替換的AM組件和現(xiàn)有CM組件進(jìn)行了從支架到閘門的一次能源和排放分析。該分析的結(jié)果在上圖中進(jìn)行了部分總結(jié)，顯示了每個(gè)案例研究組件的CM和AM路徑之間的平均支架到閘門一次能源利用的差異(左軸)，以及CM和AM過(guò)程能量強(qiáng)度的差異(右軸)。

航空航天部件數(shù)量和飛機(jī)總重量的減少帶來(lái)了兩大環(huán)境效益。這些措施包括:(i)減少了制造過(guò)程中的材料浪費(fèi)和能源消耗(從支架到閘門)，(ii)提高了成品飛機(jī)的燃料效率，從而在運(yùn)行中降低了環(huán)境足跡。使用AM工藝在裝配過(guò)程中減少零件數(shù)量，也減少了庫(kù)存中的工具數(shù)量和整體生產(chǎn)成本。舉個(gè)例子，空客公司從126個(gè)液壓外殼油箱部件，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，變成了一個(gè)單一的AMed部件。通用航空公司報(bào)告稱，一個(gè)由20個(gè)部件組成的噴嘴被整合到一個(gè)AM裝置中，重量減少了25%。該公司還實(shí)現(xiàn)了從使用傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)的855個(gè)部件減少到12個(gè)合并AMed部件，從而減輕了飛機(jī)的重量，燃油效率提高了20%。

買飛比，即原材料重量與最終部件重量之比，是控制航空航天部件生產(chǎn)成本的主要參數(shù)之一。渦輪葉片和薄壁結(jié)構(gòu)的這一比率可以在20:1和40:1之間，相當(dāng)于相當(dāng)大的原材料損耗。然而，由于設(shè)計(jì)中的幾何自由度，使用AM工藝可以實(shí)現(xiàn)接近理想的買飛比（1:1），從而大大減少加工過(guò)程中的材料損耗。維護(hù)，包括定期更換機(jī)械部件，是所有飛機(jī)的一項(xiàng)要求。AM流程提供按需更換部件的快速生產(chǎn)，用于安裝和裝運(yùn)，以滿足短交貨期限的要求。這種能力減少了一系列航空航天部件的維修提前期和相關(guān)成本。出于上述原因，AM工藝是航空航天工業(yè)中使用的一些最合適的制造方法。然而，AM在該領(lǐng)域的使用仍然受到某些類型缺陷的限制，這些缺陷影響高強(qiáng)度鋁合金制成的AMed部件的質(zhì)量。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是AMed組件缺乏全面建立的、全球公認(rèn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這限制了AM工藝在航空航天行業(yè)的使用。

在過(guò)去的二十年里，我們進(jìn)行了大量的研究，以(i)開(kāi)發(fā)更有效的AM工藝，以降低成本和提高質(zhì)量，以及(ii)減少AMed鋁合金部件的缺陷，以提高結(jié)構(gòu)完整性。這項(xiàng)研究的一個(gè)主要成果是新技術(shù)的發(fā)展，如混合增材制造(混合AM)工藝，以擴(kuò)大AM工藝對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的適用性。混合制造過(guò)程，包括多種操作，例如連接和減法過(guò)程，已經(jīng)發(fā)展為特定的應(yīng)用和要求。Hybrid-AM是一種混合制造類型，其中AM過(guò)程與一個(gè)或多個(gè)其他過(guò)程（通常為其他AM操作和/或傳統(tǒng)減法制造）相結(jié)合，以在AM單獨(dú)或傳統(tǒng)制造所能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)最終產(chǎn)品。

PolyJet的原理圖(Gay 等2015)。

在材料噴射中，光固化樹(shù)脂滴被選擇性地沉積在構(gòu)建平臺(tái)上，并使用光源固化(ASTM, 2012)。樹(shù)脂一滴一滴地沉積，形成最終模型的每個(gè)水平橫截面層。在一層完成后，構(gòu)建平臺(tái)被降低，下一層將被放置在上一層。在材料噴射成形原型時(shí)，通常至少使用兩種類型的樹(shù)脂。一種或多種模型材料用于制作原型，而另一種支撐材料在打印過(guò)程中為結(jié)構(gòu)提供必要的支撐。在后處理過(guò)程中，通過(guò)使用水射流或溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校�可以很容易地去除這些支撐結(jié)構(gòu)。聚噴墨打印技術(shù)是材料噴墨打印技術(shù)的一個(gè)例子。在上圖中，多個(gè)噴射頭允許同時(shí)打印一種以上類型的模型材料，并使用紫外線燈立即固化樹(shù)脂。

在過(guò)去的十年里，工藝、機(jī)器和多種材料(同時(shí)使用兩種或兩種以上的材料)在混合調(diào)幅工藝中相互結(jié)合和融合，以提高零件質(zhì)量、機(jī)械性能和性能以及主要調(diào)幅工藝的功能。然而，只有少數(shù)研究研究了混合調(diào)幅工藝的能力，并沒(méi)有綜述目前在高強(qiáng)度鋁合金混合調(diào)幅技術(shù)的發(fā)展，這是本文的主要?jiǎng)訖C(jī)。因此，本文的主要重點(diǎn)是批判性地回顧了高強(qiáng)度鋁合金調(diào)幅中出現(xiàn)的缺陷的研究，以及減少或消除這些缺陷的方法，特別是新的混合調(diào)幅工藝，然后通過(guò)解決混合調(diào)幅解決方案來(lái)提供消除這些缺陷的建議。

本文共分為六個(gè)部分。在第二節(jié)中，對(duì)鋁合金的調(diào)幅工藝進(jìn)行了回顧，并介紹了航空航天市場(chǎng)各子課題的相關(guān)研究和對(duì)鋁合金調(diào)幅工藝的適用性研究。第3節(jié)涵蓋了在高強(qiáng)度鋁合金AM過(guò)程中遇到的主要限制和缺陷，重點(diǎn)介紹了2xxx和7xxx鋁合金系列以及將缺陷最小化或消除的方法。第4節(jié)介紹了混合調(diào)幅工藝和鋁合金混合調(diào)幅的最新發(fā)展，特別關(guān)注高強(qiáng)度合金。討論對(duì)調(diào)幅和混合調(diào)幅過(guò)程進(jìn)行了展望。最后，總結(jié)了本研究的主要結(jié)論和作者提出的建議。

2. 鋁合金的增材制造工藝
根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/美國(guó)測(cè)試和材料標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ISO/ASTM 52900:2015)，商業(yè)上可用的AM工藝可分為七種主要類型:材料擠壓(ME)、粉末床融合(PBF)、定向能沉積(DED)、薄板分層(SL)、還原光聚合(VP)、材料噴射(MJ)和粘結(jié)劑噴射(BJ)。表1中總結(jié)了七種主要的AM過(guò)程類型的顯著特征，其中考慮了材料、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)、建筑體積的典型范圍(決定了AMed對(duì)象的最大尺寸)和近似分辨率(可以打印的最小尺寸)。

表1 主要AM進(jìn)程的比較。

廣泛應(yīng)用于鋁合金的AM工藝包括粉末床熔合、定向能沉積和薄板層合。在PBF工藝中，零件是在真空氣氛中用滾輪將薄層粉末鋁合金鋪撒，然后用氬氣(Ar)或氮?dú)?N)等惰性保護(hù)氣體回填。粉末熔化后形成固體層。在連續(xù)生產(chǎn)每一層后，計(jì)算機(jī)控制的制造平臺(tái)沿著z軸逐漸降低，使后續(xù)的Al粉層(平臺(tái)和滾輪示意圖見(jiàn)圖1(a))。PBF工藝可細(xì)分為PBF-激光(PBF- l)，其中粉末層是使用應(yīng)用激光燒結(jié)，和PBF-電子束(PBF- eb)工藝，其中粉末是由電磁線圈光柵化的電子束熔化。前一過(guò)程如圖1(a)所示。常用的PBF工藝包括直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和電子束熔化(EBM)。

在這些工藝中，SLM被認(rèn)為是最有前途的工程部件，盡管它的主要限制是粉體床的尺寸。為了提高這些合金的加工性能，SLM工藝已在文獻(xiàn)中應(yīng)用于高強(qiáng)度鋁合金AA2022、AA2024、AA2219、AA7050和AA7075。然而，人們發(fā)現(xiàn)，特別是AA7xxx系列合金，由于其高反射率、低激光吸收率和加工過(guò)程中的高開(kāi)裂敏感性，使用SLM很難生產(chǎn)。因此，仍有必要在高強(qiáng)度鋁合金中進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些工藝，以實(shí)現(xiàn)具有高結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)缺陷部件。

圖1 鋁合金AM工藝的主要類型:(a)粉床熔合，(b)定向能沉積，(c)片層壓。

定向能沉積（DED）（圖1（b））是一種AM工藝，在該工藝中，在沉積過(guò)程中，使用熱能源（聚焦激光、等離子體或電子束）熔化鋁合金中呈金屬絲或粉末形式的原料。熔化沿著熱能源定義的路徑進(jìn)行。在鋁合金中，保護(hù)氣體（如Ar或N）用于防止鋁氧化物氧化皮的形成。DED工藝能夠?qū)⑺�需特征添加到現(xiàn)有組件中，并在平坦基板上生產(chǎn)近凈形狀的組件。應(yīng)用最廣泛的DED工藝是線+弧AM（WAAM）和透鏡工程凈成形（透鏡）工藝。在這些工藝中，移動(dòng)式氬保護(hù)（也稱為氬屏蔽）線焊機(jī)被自動(dòng)引導(dǎo)，以生產(chǎn)所需零件，而不受大多數(shù)其他AM工藝中因建筑體積有限而產(chǎn)生的生產(chǎn)尺寸限制。在Cranfield大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，由AA2024、AA4043和AA5087制成的鋁絲合金能夠生產(chǎn)出高達(dá)10米長(zhǎng)的優(yōu)質(zhì)部件。

在薄板層壓（SL）工藝（圖1（c））中，通過(guò)粘合劑（層壓對(duì)象制造，LOM）或通過(guò)使用超聲波（超聲波AM，UAM）焊接的方式將薄金屬板結(jié)合起來(lái)。該工藝還涉及使用應(yīng)用激光進(jìn)行切割，使用SL工藝生產(chǎn)的部件的尺寸精度通常低于使用上述其他AM工藝生產(chǎn)的部件。然而，SL工藝允許制造商在印刷時(shí)交換建筑材料，從而能夠生產(chǎn)復(fù)合材料。在LOM機(jī)制中，使用激光源或機(jī)械切割機(jī)精確切割連續(xù)層。然后，各層通過(guò)超聲波電極施加的法向力在基板頂部相互粘合，超聲波電極是一種產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的工具，通過(guò)將各層壓在一起以促進(jìn)粘合來(lái)實(shí)現(xiàn)粘合（基板和超聲波電極的圖示見(jiàn)圖1（c））。該工藝可在粘接前去除和回收多余材料，不僅適用于金屬材料的熱粘接，也適用于陶瓷材料的熱粘接。

然而，LOM可實(shí)現(xiàn)的尺寸精度低于PBF，因此不建議將LOM用于復(fù)雜形狀零件的生產(chǎn)。UAM工藝用于粘合之前作為單獨(dú)層打印的鋁箔。在UAM的機(jī)制中，減法計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）銑削（用于尺寸精度）和超聲波縫焊工藝相結(jié)合，以層壓鋁箔以獲得所需的形狀。UAM是唯一一種能夠在較低工藝溫度下生產(chǎn)金屬部件的AM工藝。然而，累積方向上的強(qiáng)度和幾何精度遠(yuǎn)低于滾動(dòng)和振動(dòng)方向上的強(qiáng)度和幾何精度，且更難控制（見(jiàn)圖1（c））。

UAM流程示意圖和各自方向的定義。

另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，以6061-H18鋁合金為原料制備了VHP-UAM組件。將150 μm厚的膠帶逐層堆疊31層，粘貼在6061鋁合金底板上。元件的近似尺寸為24.5 mm(寬)× 170 mm(長(zhǎng))× 4.65 mm(高)。根據(jù)累積方向(AD)、振動(dòng)方向(VD)和滾動(dòng)方向(RD)定義試樣的坐標(biāo)系，如上圖所示。VHP-UAM工藝無(wú)需外部加熱，工藝參數(shù)為:20 kHz頻率、31 μm振幅、5.6 kN法向力、35.6 mm s-1聲納極行走速度。每一個(gè)循環(huán)都將聲納極冷卻到室溫。從組件中切割標(biāo)本，并安裝在導(dǎo)電樹(shù)脂中。用碳化硅砂紙?jiān)谒�中研磨，再用金剛石膏拋光。最后，在Buehler VibroMet振動(dòng)拋光機(jī)上，在硅膠溶液中制備了適合于微觀結(jié)構(gòu)觀察的表面。

2．1． 鋁合金增材制造的航空航天市場(chǎng)
在最近幾十年，AM流程的整體市場(chǎng)趨勢(shì)以顯著的增長(zhǎng)率為特征。AM所產(chǎn)生的收入，包括材料和系統(tǒng)，從2008年金融危機(jī)開(kāi)始顯著增長(zhǎng)，全球市場(chǎng)規(guī)模在2015年超過(guò)50億美元。這一增長(zhǎng)與對(duì)以AM為基礎(chǔ)的活動(dòng)越來(lái)越感興趣有關(guān)，AM流程已被用于制造業(yè)的主要部門，包括航空航天、牙科/醫(yī)療、能源、消費(fèi)產(chǎn)品和汽車行業(yè)。為了突出當(dāng)前AM市場(chǎng)規(guī)模和預(yù)期增長(zhǎng)，3D HUBS在2019年發(fā)布的最新報(bào)告數(shù)據(jù)，涵蓋了2013 - 2018年的歷史數(shù)據(jù)，以及2018 - 2023年的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 2013年至2023年的AM市場(chǎng)規(guī)模和預(yù)測(cè)。

這張圖表是根據(jù)6份獨(dú)立報(bào)告(Wohler's Associates、SmarTech、MarketsAndMarkets、ReportLinker、ResearchAndMarkets和IDC)收集的2018年發(fā)布的AM市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)繪制的。這一欄表示每年的AM系統(tǒng)、軟件、服務(wù)和材料的總銷售額，是六份報(bào)告中給出的價(jià)值的平均值。2018年各報(bào)告的平均年收入值見(jiàn)圖2;可以看出，其范圍在93 - 115億美元之間，平均AM市場(chǎng)規(guī)模為102億美元。從2013年到2017年，AM市場(chǎng)規(guī)模以24.7%的速度增長(zhǎng)。分析師預(yù)計(jì)，從2018年起，到2023年，市場(chǎng)年增長(zhǎng)率將在18.2%至27.2%之間，復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)為23.5%。這意味著在2023年之前，全球AM市場(chǎng)的規(guī)模每三年就會(huì)增長(zhǎng)一倍左右。

在過(guò)去的十年中，航空航天工業(yè)一直是AM市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)部門和主要參與者之一。在航空航天工業(yè)中，AMed部件的市場(chǎng)可以分為(1)非金屬(通常是聚合物、木材和透明塑料)和(2)非金屬和任務(wù)關(guān)鍵部件(發(fā)動(dòng)機(jī)部件、螺旋槳、渦輪葉片)。作為在飛機(jī)上使用AMed部件的一個(gè)例子，波音公司在2015年生產(chǎn)了200多個(gè)獨(dú)特形狀的關(guān)鍵任務(wù)和非關(guān)鍵的AMed部件，將用于10個(gè)不同的波音飛機(jī)生產(chǎn)計(jì)劃。波音777的雙GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)還包括300多個(gè)AMed組件，包括燃料噴嘴尖端和誘導(dǎo)器。

高強(qiáng)度輕量化鋁合金已被航空航天公司廣泛用于實(shí)現(xiàn)燃油效率和減輕飛機(jī)重量。例如，高強(qiáng)度輕量化鋁合金AA2524-T3、AA7055-T77、AA7150-T77和AA2024-T3(機(jī)身結(jié)構(gòu))主要用于波音777，如圖3所示。同樣，由于在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用了AMed高強(qiáng)度輕量化鋁合金部件，重量節(jié)省了20%，使得波音787夢(mèng)幻客機(jī)的燃油效率提高了10-12%。2017年，波音公司的目標(biāo)是在每架787夢(mèng)想客機(jī)上使用1000個(gè)AMed組件，從而可能為每架飛機(jī)節(jié)省300萬(wàn)美元。

圖3波音777飛機(jī)的材料使用。

2．2. 用增材制造方法加工鋁合金的物理冶金學(xué)

熱處理鋁合金，如2xxx和7xxx系列，通過(guò)添加合金元素，在時(shí)效過(guò)程中形成細(xì)小的金屬間化合物而得到強(qiáng)化。這些合金的常規(guī)工藝包括鑄造、均勻化、熱加工、冷加工和退火，最后進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。然而，增材制造工藝在加工過(guò)程中引入了額外的熱機(jī)械循環(huán)。如果AM過(guò)程涉及熔化，則凝固動(dòng)力學(xué)對(duì)組織的演變起著重要作用。由于在熔煉和凝固過(guò)程中引入了粗大的柱狀晶組織，熔煉和凝固過(guò)程中采用AM工藝生產(chǎn)的零件強(qiáng)度通常低于傳統(tǒng)制造工藝的強(qiáng)度。這種組織導(dǎo)致機(jī)械性能的各向異性，并包含冶金缺陷，如凝固裂紋。柱狀晶粒長(zhǎng)大的程度與熔池表面和熔池底部的溫度分布和溫度梯度密切相關(guān)。隨著材料的凝固，它傾向于在先前沉積層的晶粒上外延形成，導(dǎo)致柱狀晶粒的形成。高的熱梯度降低了晶粒生長(zhǎng)前的結(jié)構(gòu)過(guò)冷度，增加了柱狀晶粒生長(zhǎng)的趨勢(shì)。

為了在材料熔煉基AM工藝(如PBF)中獲得理想的細(xì)等軸晶粒組織，即無(wú)形態(tài)凝固裂紋，可以采用兩種方法:(1)晶粒凝固(圖4 (a))可以誘導(dǎo)形成的熔池表面附近的PBF(圖4 (b))通過(guò)控制冷卻速度,這樣熔化池的底部的顆粒形式外延等軸顆粒,(2)后處理組成的大變形熱處理,可以引發(fā)再結(jié)晶，導(dǎo)致大的、變形的晶粒在等軸生長(zhǎng)后被細(xì)小的等軸晶粒取代(圖4(c))。圖4(d)為ppbf在鋁合金上形成的大柱狀晶粒，柱狀晶粒在熱梯度方向上定向強(qiáng)。采用高能量密度和添加鈧和鋯促進(jìn)晶粒細(xì)化的方法，在AA7075的SLM中產(chǎn)生了細(xì)小的等軸組織(圖4(e))。

圖4  (a)柱狀生長(zhǎng)，(b)PBF-L工藝的簡(jiǎn)化圖，(c)等軸生長(zhǎng)，(d) AA6063的柱狀晶組織，(e) Zr和sc合金AA7075在375j /mm3能量密度下的EBSD圖。

激光熔化AM過(guò)程中晶粒結(jié)構(gòu)與掃描策略和掃描參數(shù)有很大關(guān)系，使用較低的功率和較慢的掃描可以使冷卻速度更快，從而形成更精細(xì)的顯微組織。在DED工藝中，單位面積上可以施加的功率低于PBF或SL，這使得較低的外延晶粒生長(zhǎng)程度和較少的材料熔化。在DED中，粉末流動(dòng)的速率也是一個(gè)用戶依賴的過(guò)程參數(shù)，使其更容易控制微觀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的AMed零件。然而，隨著沉積層厚度的增加，微結(jié)構(gòu)的細(xì)化變得更加困難。

2．3. 適用于增材制造的鋁合金

適宜性分析是用來(lái)確定技術(shù)、方法、工藝參數(shù)、材料等系統(tǒng)對(duì)所期望的過(guò)程的適宜性，即系統(tǒng)是否能滿足過(guò)程的要求的過(guò)程。為此，在少數(shù)研究中應(yīng)用了對(duì)鋁合金AM的適用性分析，以確定所選工藝參數(shù)和應(yīng)用方法是否能滿足主要工藝的要求。作為AM工藝材料適用性分析的一個(gè)例子，Mauduit 等研究了幾種鋁合金(AA1050, AA2017, AA2219, AA5083, AA6061, AA7020, AA7075, AlMg14和AlSi10Mg)對(duì)粉末床聚變-激光(PBF-L)工藝的適用性，通過(guò)考慮操作模式等參數(shù)，達(dá)到的最高溫度與合金中化學(xué)元素的蒸發(fā)溫度、熱裂和冶金質(zhì)量有關(guān)。

在他們的研究中，確定了最適合鋁合金粉床激光熔化的工作模式為傳導(dǎo)模式，因?yàn)檫@一過(guò)程所需的能量較低。含有Mg和Zn的鋁合金被確定不適合用于PBF-L工藝，因?yàn)檫@些元素的蒸發(fā)溫度較低，不像錳(Mn)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)到AA2017、AA2219、AA5083、AA6061、AA7020和AA7075的晶間裂紋(圖5)，而只有AA1050、AlMg14和AlSi10Mg合金觀察到無(wú)裂紋的顯微組織(圖6)。AA7020和AA7075表現(xiàn)為熱沿晶開(kāi)裂，不適合PBF-L工藝。

圖5 a2017、AA2219、AA5083、AA6061、AA7020和AA7075處理PBF-L晶間裂紋形成的SEM形貌。

圖6 對(duì)AA1050、AlMg14和AlSi10Mg進(jìn)行無(wú)裂紋PBF-L處理后的掃描電鏡觀察。

Neto分析了用于制造大型航空零部件的線+弧AM (WAAM)工藝的適用性，作為對(duì)所需工藝要求的AM工藝的適用性分析的一個(gè)例子。分析了噴丸、沉積策略和側(cè)軋對(duì)AA2319和AA4043合金組織、硬度和氣孔率的影響。采用AA4043和AA2319導(dǎo)線制作鋁合金薄壁和厚壁。對(duì)于厚鋁壁，平行振蕩策略被確定為適合于沉積，因?yàn)檫@可以降低缺陷形成的可能性，并能更好地控制熱輸入。采用這一策略，利用六軸Kuka機(jī)器人(Kuka AG，德國(guó))成功地生產(chǎn)了包含AA2319和AA4043填充線的6米長(zhǎng)的航空航天結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，WAAM工藝適用于大型鋁航天零件的制造。

Fixter等人研究了AA2024對(duì)WAAM工藝生產(chǎn)大型鋁合金構(gòu)件的適用性，以及AA2024、AA2139和AA2319等高強(qiáng)度al - cu - Mg合金對(duì)WAAM工藝的適用性，重點(diǎn)研究了AA2024原料絲中Mg的含量。在他們的研究中，軋制45 kN的AA2024-T6獲得了最高的拉伸性能，屈服強(qiáng)度(YS)為415 MPa，極限抗拉強(qiáng)度(UTS)為500 MPa，在后續(xù)熱處理和氣孔控制后伸長(zhǎng)率為10%。盡管之前一直認(rèn)為AA2024合金不適合焊接，但在建成的AA2024樣品中獲得了無(wú)織構(gòu)和相對(duì)細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)。因此，在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蜌饪卓刂葡�，AA2024線沉積用于WAAM工藝生產(chǎn)大型鋁構(gòu)件的適用性得到了證明。

來(lái)源：Challenges in additive manufacturing of high-strength aluminiumalloys and current developments in hybrid additive manufacturing，InternationalJournal of Lightweight Materials and Manufacture，doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.12.004
參考文獻(xiàn)：J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar，Review of additivemanufacturing technologies and applications in the aerospace industry，F(xiàn).H. Froes,R. Boyer (Eds.), Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, Elsevier,United States (2019), pp. 7-31, 10.1016/C2017-0-00712-7