高強(qiáng)鋁合金先進(jìn)增材制造方法研究現(xiàn)狀

黃忠利，樊丁，于曉全，黃健康

蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730050

1 序言

高強(qiáng)鋁合金具有高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性能、高斷裂韌性等優(yōu)異的性能，其在航空航天應(yīng)用較廣[1-3]。當(dāng)使用傳統(tǒng)工藝制造方法時(shí)，許多航空航天零件的幾何復(fù)雜性會給生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。增材制造（AM）技術(shù)通過層層構(gòu)建金屬零件，提高了設(shè)計(jì)自由度和制造靈活性，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的幾何形狀，擁有更多的產(chǎn)品定制化及更短的生產(chǎn)時(shí)間[4，5]。AM工藝通過設(shè)計(jì)和制造更復(fù)雜拓?fù)涞母邚?qiáng)度鋁合金零件來實(shí)現(xiàn)部件整合，能夠有效減少飛機(jī)中零件的數(shù)量[6]。部件整合可以降低生產(chǎn)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)，擁有更好的產(chǎn)品性能，以及伴隨著零件復(fù)雜性的增加而降低材料的使用量。由于以上的原因，在航空航天工業(yè)中已經(jīng)大規(guī)模采用了AM生產(chǎn)的零部件。然而，AM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的使用仍然會受到某些缺陷的限制，這些缺陷會影響由高強(qiáng)度鋁合金制造的零件的質(zhì)量[7]。

在過去的20年中，為了開發(fā)更有效的AM工藝技術(shù)以降低生產(chǎn)成本和提高零件質(zhì)量，以及最大程度減少高強(qiáng)度鋁合金AM工藝中的缺陷，有多位學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。這項(xiàng)研究最主要的成果就是將增材制造與其他工藝方法相結(jié)合，來擴(kuò)大AM工藝在高強(qiáng)鋁合金制造中的適用性。在這種混合制造中，AM工藝與一個(gè)或多個(gè)其他工藝方法相結(jié)合，以在單獨(dú)AM或傳統(tǒng)制造所能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上改良最終的產(chǎn)品[8，9]。在這種增材制造技術(shù)中，不同的工藝、機(jī)器和多種材料（同時(shí)使用兩種或更多）相互結(jié)合，以提高零件質(zhì)量、力學(xué)性能等[10]，新型高強(qiáng)鋁合金的AM技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，然而，目前沒有對高強(qiáng)鋁合金的先進(jìn)AM技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)行綜述。

本文主要介紹和討論目前通過AM技術(shù)制備高強(qiáng)度鋁合金的相關(guān)問題，如制備方法、微觀組織及力學(xué)性能等問題，旨在介紹該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平。

2 高強(qiáng)鋁合金先進(jìn)增材制造工藝

常用于高強(qiáng)鋁合金的A M技術(shù)主要分為粉末床熔融（Power Bed Fusion，PBF）和直接能量沉積（Directed Energy Deposition， DED）兩種。D E D包括激光工程化成形（L E N S）、激光技術(shù)沉積（LMD）、電子束焊接（EBW）和電弧增材制造（WA A M）等4種，而P B F包括電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔融（SLM）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）等3種。基于PBF的AM技術(shù)是將鋁粉在工作臺基板上鋪展，采用聚焦能量源選擇性的熔化鋁粉，SLM和DMLS技術(shù)采用外加激光燒結(jié)鋁粉，EBM技術(shù)采用電子束熔化鋁粉[11]，如圖1a所示。當(dāng)一層粉末成形后調(diào)節(jié)平輥再鋪一層新粉，為了防止鋁粉氧化，通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。在這些AM技術(shù)中，SLM技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金增材制造中應(yīng)用最廣，但粉末床的尺寸限制了其發(fā)展[12]。目前，SLM技術(shù)已經(jīng)在AA2022、AA2024、AA2219、AA7050和AA7075等高強(qiáng)鋁合金中應(yīng)用，目的是為了擴(kuò)大這些合金的可加工性。然而，研究發(fā)現(xiàn)，7系鋁合金由于其高反射率、高開裂敏感性及激光吸收率低等缺點(diǎn)，難以用SLM技術(shù)加工。因此，還需在高強(qiáng)鋁合金中進(jìn)一步開發(fā)這些工藝，以獲得具有結(jié)構(gòu)完整、無缺陷的零件[13]。

DED技術(shù)是將熔化后的鋁合金材料沉積在指定的位置來制造零件[14，15]，如圖1b所示。在沉積過程中使用聚焦能源（電子束，激光束或電弧等）局部熔化材料（粉末或絲材），采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，并生產(chǎn)三維實(shí)體零部件。與PBF技術(shù)相比，其最大的優(yōu)勢在于使用多軸沉積（例如附加的基板旋轉(zhuǎn)軸）和多種材料輸送，可以制造出無支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零部件，并且由于其可以儲存不同類型的材料，可以制備功能梯度材料。在DED技術(shù)中應(yīng)用最廣的是LENS和WAAM技術(shù)，與其他AM技術(shù)相比，其不受零部件生產(chǎn)尺寸的限制。在克蘭菲爾德大學(xué)的一項(xiàng)研究中，采用WAAM技術(shù)制造出長度達(dá)10m的鋁合金零件。

圖1 高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)

3 高強(qiáng)鋁合金增材制造過程中的性能強(qiáng)化方法

高強(qiáng)鋁合金可以通過添加合金元素得到性能強(qiáng)化，這些合金元素在制造過程中成形細(xì)小的金屬間化合物。在傳統(tǒng)制造過程中對2系和7系鋁合金零件采用鑄造方式，之后進(jìn)行固溶或時(shí)效處理實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化[18]。在鋁合金AM過程中，由于存在熱循環(huán)效應(yīng)，在熔化和凝固循環(huán)過程中會產(chǎn)生粗大的柱狀晶組織，因此采用AM工藝制造出的零件強(qiáng)度通常要比傳統(tǒng)制造工藝低[19]。這種顯微組織的差異導(dǎo)致了力學(xué)性能的各向異性，并含有凝固裂紋等冶金缺陷。柱狀晶的生長程度取決于熔池表面和底部的溫度分布和溫度梯度。在材料凝固時(shí)，柱狀晶傾向于在前一道沉積層的晶粒上外延形成，較高的溫度梯度降低了晶粒生長前的成分過冷，從而增加了柱狀晶生長的傾向[20]。有部分學(xué)者為了在SLM技術(shù)中獲得細(xì)小等軸晶組織，無凝固裂紋的鋁合金零件，提出可以采用以下兩種方法。

1）通過控制熔池冷卻速度，在SLM中形成的熔池表面（見圖2a）附近誘導(dǎo)等軸晶凝固（見圖2b），使得熔池底部的晶粒在等軸晶上外延形成。

2）促進(jìn)異質(zhì)形核，在PBF過程中通過使用納米顆粒促進(jìn)新晶粒的形核來控制凝固組織（見圖2c）。圖2d中顯示了經(jīng)過SLM技術(shù)處理后形成的沿沉積方向的粗大柱狀晶。圖2e顯示了使用SLM技術(shù)在高能量密度下添加Zr和Sc元素促進(jìn)晶粒細(xì)化，得到了細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu)。這也說明通過添加合適的納米顆粒，能夠獲得性能優(yōu)越的鋁合金零件。

圖2 鋁合金增材制造的顯微組織特征

基于激光熔化AM工藝中的鋁合金晶粒尺寸依賴于工藝參數(shù)，采用較低功率和較慢的掃描速度可以得到較高的冷卻速度，從而形成更細(xì)小的晶粒。在DED技術(shù)中，單位面積所提供的功率要遠(yuǎn)低于PBF技術(shù)，使得單位時(shí)間內(nèi)材料熔化較少，外延晶粒生長程度較低。在DED技術(shù)中，通過控制粉末流動速度來調(diào)控微觀組織是重點(diǎn)，但隨著沉積高度的進(jìn)行，對微觀組織的調(diào)控變得相對困難。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將納米顆粒加入到傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋁合金粉末中，通過不同的AM工藝方法制造出具有細(xì)小等軸晶粒的高強(qiáng)度無裂紋的鋁合金零件，圖3a~d為不同納米顆粒與鋁合金粉末相結(jié)合的粉末形貌，納米顆粒與金屬粉末通過靜電組裝，形成納米顆粒均勻分布的粉末原料，根據(jù)經(jīng)典成核理論[26，27]，圖3d為納米顆粒根據(jù)晶格匹配原理誘導(dǎo)金屬粒子外延生長的示意，其中藍(lán)色和黃色粒子表示底部，紫色粒子表示頂部，右側(cè)綠色平面表示單元格子中的晶格匹配平面。

圖3 納米顆粒在金屬粉末上的添加[20]

在高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)中向熔池加入納米陶瓷顆粒能夠極大提高鋁合金成形件的力學(xué)性能。LI等[28]采用了SLM技術(shù)，在AlSi10Mg粉末中加入納米顆粒TiB2，研究了其強(qiáng)化機(jī)理和組織演變，結(jié)果表明，納米顆粒TiB2的加入顯著細(xì)化晶粒，并且可以誘導(dǎo)晶界中納米Si的析出，制造出的零件抗拉強(qiáng)度可達(dá)到530MPa、伸長率達(dá)到15.5%。JIN等[29]在AA2219絲材WAAM中加入TiCPS粉末，研究了不同含量的TiCPS對2219鋁合金的相變、晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，添加5μm的TiCPS可以有效地降低形核自由能，當(dāng)TiCPS含量在0.5%～2.0%之間變化時(shí)，平均晶粒尺寸先減小后增大，Al基體和θ相的強(qiáng)度逐漸降低。TiCPS可以抵消溶質(zhì)偏析引起的成分過冷，進(jìn)一步促進(jìn)顆粒狀的θ相向晶粒內(nèi)細(xì)小的點(diǎn)狀轉(zhuǎn)變，從而提高2219鋁合金的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)到405MPa，伸長率達(dá)到15.6%。WEN等[30]采用激光固體成形（Laser Solid Forming，LSF）技術(shù)，在AA2024粉末中加入納米顆粒TiB2，如圖4所示。

圖4a所示為L S F技術(shù)及路徑規(guī)劃；從圖4b可看出，一些TiB2顆粒分布在Al基體上，另一些與Al2Cu相相交沿晶界分布，TiB2顆粒的摻入會使晶粒顯著細(xì)化，這是提高力學(xué)性能的主要因素；采用TiB2增強(qiáng)后的AA2024鋁合金的顯微硬度值能夠達(dá)到108.5HV（見圖4c）抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到284MPa，伸長率也達(dá)到了18.7%（見圖4e） ；圖4f所示為采用LSF技術(shù)制造出的鋁合金零件；使用TiB2顆粒增強(qiáng)后的AA2024復(fù)合材料的微觀組織由枝晶和細(xì)小等軸晶組成。

圖4 2024鋁合金LSF增材制造技術(shù)[30]

4 高強(qiáng)鋁合金增材制造的缺陷及解決方法

目前，由于全球認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的不足限制了高強(qiáng)鋁合金AM技術(shù)的應(yīng)用，很難對這些鋁合金零件進(jìn)行力學(xué)性能測試及驗(yàn)證。此外，2系與7系鋁合金零件在AM過程中由于熱循環(huán)的影響導(dǎo)致加工困難，這些合金需要對其化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)控改良。有學(xué)者在鋁合金AM加工過程中發(fā)現(xiàn)其組織中出現(xiàn)了裂紋，在AM過程中由于不斷加熱和冷卻的影響，導(dǎo)致鋁合金組織中出現(xiàn)凝固裂紋[31]。圖5所示為不同狀態(tài)下鋁合金中產(chǎn)生的凝固裂紋，其中鋁合金中存在的氣孔成為凝固裂紋的起裂源。凝固裂紋是高強(qiáng)鋁合金中一種普遍缺陷，有學(xué)者針對高強(qiáng)鋁合金在快速凝固過程中的裂紋敏感性，對AA2024[32，33]、AA7050[13]和AA7075[34，35]鋁合金AM過程中裂紋的形成進(jìn)行了研究，其目的是為了消除裂紋。在高強(qiáng)鋁合金的凝固過程中，柱狀晶粒沿溫度梯度方向擴(kuò)展，同時(shí)沿著晶界收縮，導(dǎo)致裂紋的生成。在鋁合金凝固的最后階段，可以觀察到凝固裂紋的形成和擴(kuò)展。

圖5 鋁合金組織中的裂紋

對高強(qiáng)鋁合金增材制造的多項(xiàng)研究表明，通過優(yōu)化工藝參數(shù)或改變合金成分，可以生產(chǎn)出幾乎無缺陷的高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件，同時(shí)采用其他工藝方法進(jìn)行輔助，如熱處理、預(yù)熱及在真空中進(jìn)行增材工藝，能夠最大限度地減少或消除鋁合金增材制造過程中的缺陷，能夠顯著地改善材料性能。已有多位學(xué)者在2系與7系鋁合金中加入Zr或Si元素并進(jìn)行熱處理，研究其性能變化，例如將Si元素加入到AA7075鋁合金中，并在160℃內(nèi)放置6h進(jìn)行熱處理，結(jié)果表明，其抗拉強(qiáng)度提高了6.75%，屈服強(qiáng)度提高了10%[32]。NIE等[36]研究了在掃描速度為67～83mm/s時(shí)，向Al-Cu-Mg合金中加入Zr元素對晶粒尺寸的影響。結(jié)果表明，Zr含量的增加可以在較高的掃描速度下獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。QI等[13]指出在SLM技術(shù)中小孔方式的選擇對鋁合金AM的作用。從圖6中可以看出，在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，研究了小孔模式熔化與導(dǎo)電模式熔化在避免裂紋方面的區(qū)別，在小孔模式熔化能夠獲得更細(xì)小的晶粒，沿晶裂紋擴(kuò)展較少。

圖6 AA7075鋁合金的EBSD圖

5 結(jié)論與展望

本文綜述了高強(qiáng)鋁合金常用的先進(jìn)AM技術(shù)，在制造過程中所產(chǎn)生的缺陷和問題，以及為克服這些缺陷和問題而開發(fā)出的新工藝。綜合近年來高強(qiáng)鋁合金的AM技術(shù)，提出主要結(jié)論與展望如下。

1）在高強(qiáng)鋁合金AM過程中主要缺陷和問題包括：凝固裂紋、氣孔及合金元素?fù)]發(fā)等，盡管采取了不同的AM技術(shù)，目前仍然無法制造無缺陷的鋁合金零件。

2）將納米顆粒添加到鋁合金粉末中進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金AM，能夠顯著地減少AM過程中所產(chǎn)生的缺陷，未來將會有更多種納米顆粒與不同AM技術(shù)相結(jié)合的嘗試。

3）隨著計(jì)算材料科學(xué)的迅速發(fā)展，一些研究成果有望徹底解決高強(qiáng)鋁合金AM過程中的問題，通過機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合開發(fā)出新的AM方法，推動鋁合金AM技術(shù)的發(fā)展。