吴鑫华院士团队：突破含Sc高强铝合金大层厚高效率3D打印难题

导读：含Sc高强铝合金用于航空航天领域，可达到进一步减重的目的，因为通常3D打印的AlSi10Mg合金屈服强度只有260MPa, 这种新型材料屈服强度大于500Mpa，在保证使用性能的条件下，可大幅减小结构件的材料用量，从而达到减重的目的。

2023年9月8日，南极熊获悉，针对含Sc高强铝合金大层厚高效率激光粉末床熔融的最新研究成果“Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion”，于2023年8月29日在《Virtual and Physical Prototyping》（中科院1区，Top，影响因子10.6）期刊发表，引起了业内的广泛关注。

航空航天结构件由于激光粉末床熔融（LPBF）制备金属材料层厚较低（一般为30 μm层厚），制备效率低，成本高等问题阻碍了其应用。为了降低 LPBF 制备高强铝合金的成本，苏州倍丰智能科技有限公司董事长吴鑫华院士团队与北京工业大学、汕头大学、澳大利亚伊迪斯·科文大学、澳大利亚Monash大学、东南大学等单位合作开展针对含Sc高强铝合金大层厚高效率激光粉末床熔融的研究，实现了高强铝合金大层厚粗粉末粒径高效率3D打印的突破。据查，北京工业大学的张昊（博士研究生）为论文的第一作者，澳大利亚伊迪斯·科文大学张来昌教授与汕头大学工学院机械工程系的曹晟副教授为论文的通讯作者，吴鑫华院士为论文的共同作者。

△图1 苏州倍丰智能科技有限公司生产的激光粉末床 Ampro SP260设备

在制备大层厚过程中，大多数机器会存在难成型，成型质量差问题。相比之下，该工作利用的苏州倍丰智能科技有限公司产激光粉末床设备Ampro SP260。在使用低成本粗粉的前提下，能够高效率制备出大层厚的高强 Al-Mn-Sc合金。在 120 μm 层厚的情况下，实现了>99.2% 的相对密度。此外，在后续热处理后试样中，屈服强度30 μm 层厚为502MPa，120 μm 层厚为472MPa。120 μm 层厚的样品仍然表现出较高的拉伸屈服强度和约 10% 的延伸率。

这项研究成功地证明了在 LPBF 工艺中采用大层厚高效率制造高强 Al-Mn-Sc 合金的可行性，而用低成本粗粉以大层厚高效率打印高强 Al-Mn-Sc 合金航天航空结构件的解决方案，不但增加了高强 Al-Mn-Sc 合金在航空航天的应用的前景，更加强了3D打印同行的成本和技术的竞争力。

△图 2. 激光粉末床制备样品中的缺陷三维可视化（a 和 c）和垂直投影观察（b 和 d），显示了 30 μm（a-b）和 120 μm（c-d）样品的 μ-CT 图像重建的孔隙形态和分布。

这项工作获得了不同层厚（30 μm、60 μm、90 μm 和 120 μm）条件下激光粉末床制备 Al-Mn-Sc 合金的加工工艺窗口，并研究了热处理试样的微观组织和机械性能。论文得出以下结论：

(1) 在所有层厚条件下试样均达到了较高的相对致密度。层厚为 120 μm 试样的相对密度为 99.2%。
(2) 经 LPBF 打印和后热处理的 Al-Mn-Sc 合金具有典型的双峰等轴晶柱状晶显微组织。等轴晶粒和柱状晶粒的尺寸随层厚的增加而略有增大，这归因于大层厚时冷却速度的降低。
(3) 这项研究提供了一种大层厚高效率LPBF制造的方法，在120 μm 层厚的条件下制备出强度高（屈服强度为 472 MPa）、延展性好（断后延伸率为 9.8%）的 Al-Mn-Sc 合金。

△图 3. (a) 不同层厚的热处理后 Al-Mn-Sc 合金的工程应力-应变曲线，以及试样的拉伸断裂面：(b)-(c) 30 μm和 (d)-(e) 120 μm。

△图 4. (a) Al-Mn-Sc合金与其他激光粉末床制备的铝合金打印速率；（b）Al-Mn-Sc与其他激光粉末床制成的铝合金的屈服强度。

论文原文

Zhang H, Zhang L C, Liu H Y, Niu X D, Lan M C, Zhang W Z, Jin X J, Chu F Z, Wu X H, Cao S. Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18(1): e2250769.
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769

作者简介

吴鑫华，曾任蒙纳士大学副校长、现为苏州大学金属材料与智能制造研究院院长、讲席教授、博士生导师，澳大利亚技术科学与工程院院士，苏州倍丰智能科技有限公司董事长，是世界公认的3D打印技术开创者之一。在3D打印的设计、材料、工艺和性能优化领域做出了杰出贡献，实现了金属3D打印从科学原创性概念到应用上可行的生产制造。从事航空材料和3D打印研究30余年致力于金属3D打印基础研究和应用推广，创立了3D打印材料和工艺的系统性研究方法，开发了世界首个3D打印专用高强铝合金和超高强钛合金；承担国际重大科研项目60余项，和世界20多家国际著名航空企业（包括英国罗尔斯－罗伊斯，空客，庞巴迪，赛峰（法国和中国），中国商飞，中国航发，中国重燃和中广核）有过长期的战略合作，解决航空、燃机、核电领域的高端制造难题。开创国内民航金属3D打印钛合金零件适航认证和装机应用先河；为中国重燃“两机重大专项”项目解决燃烧室喷嘴、透平叶片等关键部件3D打印难题；实现国内核电领域3D打印技术首次成果认定并示范应用。出版5部著作，发表210余篇SCI 期刊论文，他引11081次，H指数58，授权25项国际和6项国内专利。

张来昌，澳大利亚埃迪斯科文大学终身教授。张来昌教授长期从事新型材料的制备、结构和性能，尤其是新型钛合金的制备工艺和性能的研究，主要包括：亚稳态合金的制备和性能；多尺度材料的合成与性能；3D打印技术在新材料中的应用；新型功能材料。已主持和参加澳大利亚研究理事会项目等研究项目20余项。迄今为止，他已经出版英文专著2本、书籍章节19章，发表在Advanced Materials（《先进材料》，影响因子21.95）、Advanced Functional Materials（《先进功能材料》，影响因子13.32）、Acta Materialia（《材料学报》，影响因子6.036）、Scripta Materialia （《材料快报》，影响因子4.163）等国际著名学术期刊发表SCI论文200余篇，约15篇学术文章被评为ESI“热点文章”及ESI“高被引用文章”。部分研究成果已经在澳大利亚国家电视台（ABC）新闻频道直播采访、我国中央电视台（CCTV-4）和新华社等知名媒体报道。

曹晟，汕头大学工学院机械工程系副教授，主要研究领域为：金属材料增材制造技术。本科毕业于中南大学，博士毕业于澳大利亚Monash大学，先后在澳大利Monash大学与英国曼彻斯特大学从事博士后研究。2021年以卓越人才计划-优秀人才入职汕头大学。主持项目包括国家自然科学基金(青年科学基金项目)、广东省科技创新战略专项与广东省普通高校特色创新项目（自然科学）等课题。目前在Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Materials Science & Technology等国内外期刊发表论文四十余篇，Google Scholar 引用1200余次，h-index 16, 授权专利6项。

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苏州倍丰智能科技有限公司，坐落于富饶美丽的苏州，由钛合金和增材制造专家一一吴鑫华院士一手创立，是一家专业从事工业级金属3D打印设备、打印材料工艺研发和销售的高新技术企业，同时为客户提供3D打印全产业链技术咨询和助力科研服务。目前，苏州倍丰金属3D打印设备覆盖SP100-1200mm全幅面，实现自主生产从设计到软件完全自主产权的共6个尺寸大小的打印主机；配置全流程惰性气氛保护且密封适合国际适航要求的3D打印金属粉末前、后处理系统。同时公司开放拥有独特的复合增材制造装备、激光焊机、其他焊机、相关产品的智能制造装备，科研服务及耗材相关技术的咨询等服务项目。合作欢迎致电：4001185365。