铝合金3D打印新突破

作者： 刘哲峰 李涤尘

近日，中科大研究团队报道了其在铝合金3D打印技术方面的最新成果，科研人员在对以SLM工艺制备的铝合金样件进行T6 热处理后，发现铝合金的延展性得到了明显提高。通过SLM工艺制得AlSi10Mg铝合金样件，随后进行T6热处理，主要包括在535oC下对样件做固溶处理及158oC下的人工时效处理（10小时），进而对铝合金样件进行力学性能测试和微观组织观测分析。图1展示了SLM工艺制备铝合金样品过程。

图1 SLM工艺过程示意图    (a) 操作参数；(b) 扫描方式；(c) 拉伸、弯曲样品示意图

图2弯曲断口微观形貌图

(a) 断口SEM照片；(b) 凹坑分布；(c) 高倍数SEM照片；(d) 氧化区SEM照片；(e) 背散射电子图像；(f)断口形貌。

相比于钢或钛合金，铝合金在采用SLM制备过程中面临三方面的挑战， (a)铝粉对于激光束的高反射率 (b) 高的热传导, (c) 铝元素相对活泼，极易在表面形成一层氧化膜。比如，本研究中所使用的AlSi10Mg 铸件的热传导率就达到113 W/m K，高的热传导率带来的主要麻烦是，由于金属从液态转变为固态冷却非常快，导致凝固后的金属内部有较高的残余应力，从而导致铸件产生内裂纹而严重影响其服役性能。因此人们针对如何提高SLM工艺铝合金的拉伸率、硬度、抗拉强度、疲劳强度方面展开了大量研究。并发现SLM制备AlSi10Mg合金在强度、硬度方面明显超过其他合金，但延展性比较差。并最终通过前文提到的T6热处理能够明显提高AL合金的延展率，从而为该类型铝合金走向实际应用提供了工艺指导。


测试结果表明：热处理前后铝合金样品的致密度变化不大，拉伸强度和弯曲强度有少许下降，降低量分别为19.97％（从 334 MPa 降低到 267.3 MPa）和6.1％，硬度下降了大约20%。但铝合金延展性得到显著提升，其中伸长率提高155％ （从3.64% 提升到 9.28%），断裂挠度增加122.9％，表现出了铝合金较好的综合力学性能。这将使3D打印铝合金件具有更广泛的应用价值。图2分别展示了测试样品拉伸断面和弯曲断面的微观形貌。该成果使3D打印技术在铝合金制备方面提供了更多的应用机会。

参考文献
L.F. Wang, J. Sun, X.L. Yu, Y. Shi, X.G. Zhu, L.Y. Cheng, H.H. Liang, B. Yan, L.J. Guo, Enhancement in mechanical properties of selectively laser-melted AlSi10Mg aluminum alloys by T6-like heat treatment, Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 734 (2018) 299-310.

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室