综述：LPBF打印铝合金微观结构和力学性能控制策略的最新进展

来源:长三角G60激光联盟

燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室、中国兵器工业集团航空弹药研究所、阿尔泰国立技术大学及哈尔滨工业大学的科研人员报道了LPBF打印铝合金微观结构和力学性能控制策略的最新进展研究。相关研究成果以“Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

激光粉末床熔融（LPBF）是一种成型精度高、可打印复杂的金属构件的快速成型技术，可应用于航空航天领域。与其他金属材料相比，采用LPBF技术制造的铝合金零件由于材料和结构的结合，能更好地实现轻质结构。然而，在LPBF工艺过程中，打印部件内部容易形成球化、孔隙、粗晶粒和裂纹等许多冶金缺陷，导致铝合金性能下降。为了解决上述问题，研究人员对改善LPBF制成的铝合金零件的力学性能进行了深入探索。本文从微观结构和性能的调控策略两个方向探讨了提高铝合金成形质量的方法。从工艺参数优化、合金元素改性、强化相添加和后处理等方面探讨了LPBF加工铝合金的研究现状。此外，还对LPBF加工铝合金的微观结构和性能进行了系统综述。

图1.LPBF在制备铝合金复合结构中的典型应用。

图2.不同能量密度（a）、激光功率（b）和扫描速度（c）下样品的密度。(d) 凝固示意图。(e)不同工艺参数下获得的三种单轨。(f)不同工艺参数下单轨的表面形貌。

图3.LPBF使用的不同扫描策略示意图。

图4.LPBF成形后AlSi10Mg的三维示意图、OM、SEM 和 EBSD 逆极图（IPF）a成形0°、b 成形45°、c成形90°。

图5.a-c Ar、d-f N2、g-i He下制造的Al-12Si样品的OM图像和断口形貌。j-l不同气氛下制造的Al-12Si样品的相对密度、硬度和拉伸性能。

图6.常见的光束整形方法。

图7.a-d Zr改性前后的AA6061粉末；凝固示意图；f添加Zr前后AA7075铝合金的凝固行为；g Zr改性后AA7075的应变行为。h AA2024、i Zr-AA2024、j AA6061、k Zr-AA6061的 EBSD取向图和相应的极图。

图8.LPBF制备的a,b AlSi10Mg/10SiC;c, d Al-Fe-Ni/TiB2;e, f Al-Si-Mg-Ti/TiC的晶粒形貌和力学性能。

图9.a经过喷丸强化处理和未经过喷丸强化处理样品的维氏硬度曲线。b,c经过喷丸强化处理和未经过强化处理样品的EBSD横向椭圆极图。d-g经过喷丸强化处理和未经过喷丸强化处理样品断裂表面的横截面图。h, i经过喷丸强化处理和未经过喷丸强化处理样品的 SEM图像。

研究人员在工作中发现了几种主要方法来改进LPBF AM制造铝合金部件。通过调节合金元素和添加强化相，在铝合金基体中形成具有较高体积分数和弥散分布的强化相。通过各种第二相之间的相互作用，进一步提高了铝合金对LPBF的适应性。通过选择适当的工艺参数，可以抑制球化、孔隙和裂纹缺陷的形成。通过后处理工艺，改变了铝合金的微观结构，提高了铝合金部件的力学性能，释放了制造过程中产生的部分残余应力，改善了LPBF制备的铝合金的工作性能和使用寿命。然而，LPBF铝合金的开发仍面临一些关键挑战：
1. LPBF过程中熔池的温度变化是一个复杂的过程，也是影响铝合金LPBF成形质量的决定性因素。温度场与成形质量之间的关系尚未得到明确探讨，因此有必要系统研究LPBF过程中熔池的非平衡冶金过程。未来的研究应重点开发先进的数值模拟技术和实时监测方法，来精确控制和优化熔池内的温度分布，从而改善材料的最终性能。

2.LPBF的生产效率较低。如果要提高生产效率，就会影响成型的质量和精度，因此需要有效的手段来解决二者之间的矛盾。用LPBF制作的铝合金部件难以直接应用于工程，生产工艺有待进一步优化。未来的研究可以重点关注提高激光扫描速度和粉末利用率的方法，同时开发新的工艺，在不影响质量的前提下提高生产效率。

3.目前，铝合金中各种第二相的优化机理尚未得到明确解释，因此有必要建立不同的强化机理和强度提升理论模型，以进一步揭示铝合金的协同强化和增韧机理。未来的挑战包括更深入地了解微观结构与宏观性能之间的关系，以及如何通过控制第二相的分布和形态实现最佳性能。这需要跨学科合作，开发更具预测性和指导性的模型，以支持高性能铝合金的设计和制造。

此外，未来的研究还应关注LPBF技术在更广泛工业应用领域的可扩展性，包括汽车、航空航天和生物医学领域。研究人员应探索材料设计和工艺创新如何克服当前的技术瓶颈，推动 LPBF技术的广泛工业化。


论文链接：

Wang, H., Wang, X., Zou, J. et al. Recent progress on the control strategies of microstructure and mechanical properties of LPBF-printed aluminum alloys. Int J Adv Manuf Technol 134, 4015–4039 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14395-w