摻雜鋁合金激光選區熔化成形研究進展

賈少澎， 祝 賀， 鄒田春*， 歐 堯

(1.中國商用飛機有限責任公司質量適航安全部, 上海 200126；2.中國民航大學民航民用航空器適航審定技術重點實驗室, 天津 300300)

增材制造(additive manufacturing, AM)技術是以離散-堆積思想為基礎的一種新型快速成形技術[1]。AM技術利用三維模型數據可實現僅用一臺設備的直接成形,與傳統加工方式相比,極大縮短了產品加工周期,降低了成本,已在航空航天、醫療、軍工等領域得到了廣泛應用[2]。激光選區熔化成形(selective laser melting, SLM)是增材制造中最具代表性的成形技術之一,其原理為激光束沿特定路徑掃描預制粉末層,使其熔化、逐層堆疊,最終獲得高致密度的金屬零部件[3]。SLM技術有成形精度高、表面質量好等優點,可以實現復雜薄壁件的精密成形,在制造輕量化復雜結構方面具有明顯優勢[4-5]。

鋁合金材料具有密度低、比強度高、導電、導熱以及耐腐蝕性能良好等優點,是航空工業中最主要的結構材料之一[6]。隨著航空產品對輕量化、一體化復雜鋁合金部件需求的增加,鋁合金SLM成形技術的應用前景日趨廣闊[7]。鋁合金SLM成形技術研究主要集中于粉末制備、工藝優化和熱處理等方面,目前AlSi10Mg和Al12Si鋁合金SLM成形較為成熟并已實現工程應用,其他鋁合金尚在研究階段[8-11]。

摻雜能有效提高鋁合金力學性能,因此摻雜鋁合金SLM成形成為近年中外研究的焦點。結合摻雜金屬元素和陶瓷顆粒鋁合金的研究現狀,綜述了SLM成形鋁合金的致密度、顯微組織和力學性能等方面的研究。

1 金屬元素摻雜

金屬元素摻雜是指在鋁合金中加入某些微量金屬元素改善其力學性能。目前常用的金屬元素有Zr和Sc兩種,其強化作用的主要機理為:Zr和Sc元素在SLM過程中形成了細小的Al3(Sc,Zr)顆粒,它們作為Al基體的異質形核點,起到了細化晶粒的作用,而分布在晶界處的Al3(Sc,Zr)還起到釘扎作用,穩定晶界,抑制后續晶粒長大,進而提高鋁合金的拉伸強度、屈服強度、硬度等力學性能[12]。

2011年,歐洲宇航防務集團的Schmidtke等[13]研究了摻雜0.66% Sc元素的Al-Mg合金(Scalmalloy?)SLM成形。研究發現,Sc元素使鋁合金力學性能明顯提高,拉伸強度、屈服強度和延展率分別達到530 MPa、520 MPa、14%,強度與高強鋁合金相當,且延展性更好。

瑞士增材制造創新中心的Spierings等[14-17]于2016年開展了一系列關于Scalmalloy?合金粉末的SLM成形研究,采用氣霧化的球形Scalmalloy?合金粉末,在最佳工藝參數下,成形了致密度大于99%的試樣。結果表明,由于Al3(Sc,Zr)的存在,顯微組織呈明顯的雙相分布,即熔池邊界的細晶區(fine grain, FG)及中央的粗晶區(coarser grain, CG),如圖1[14]所示。隨著掃描速度的提高,細晶區晶粒進一步減小,粗晶區無明顯變化。Al3(Sc,Zr)的強化作用使鋁合金抗拉強度和屈服強度分別超過400 MPa和277 MPa,且各向異性較低。熱處理后,鋁合金力學性能得到進一步提高,抗拉強度超過500 MPa,延展率高于8.6%。

圖1 SLM成形Scalmalloy?合金SEM圖[14]Fig.1 SEM of SLMed Scalmalloy?[14]

2017年,澳大利亞莫納什大學的Shi等[18]對摻雜Sc和Zr元素的Al-Mg合金SLM成形進行了研究,發現了電導率與致密度成線性關系,提出通過電導率可以快速評價成形試樣的致密度；中南大學Li等[19]完成了添加Sc和Zr元素的Al-6.2Mg合金的SLM成形研究。結果表明,試樣致密度及表面質量隨激光能量密度的增加而提高,在激光能量密度為139 J/mm3時獲得致密度為97%的試樣,其力學性能和抗腐蝕性能均較鑄件有所提高,硬度達到93 HV,抗壓強度達到390 MPa。2018年,南京航空航天大學的Zhang等[20]研究了工藝參數對Al-Mg-Sc-Zr合金力學性能的影響，研究發現,較低的掃描速度能夠促進Al3(Sc,Zr)的形成,使硬度提高至94 HV,摩擦系數和磨損率降低至0.61和1.74×104mm3/(N·m)。

張虎等[21]、Zhang等[22]、Nie等[23]開展了添加Zr元素的Al-Cu-Mg合金SLM成形研究,采用球磨法制備了Zr/Al-Cu-Mg粉末,并在不同工藝參數下進行SLM成形。研究發現,Zr的添加有效抑制成形過程中熱裂紋的產生,并使致密度為99%時的最佳掃描速度提高了3倍,與未摻雜Zr元素的合金相比,拉伸強度和屈服強度明顯提高,達到451 MPa和446 MPa,但延展率降低至2.67%。

2 陶瓷顆粒摻雜

與金屬摻雜相似,陶瓷顆粒摻雜是指在鋁合金中加入少量的陶瓷顆粒,通過細晶強化、晶界強化和彌散強化等機制以改善鋁合金的強度、硬度和耐磨性能。目前主要采用原位反應法和機械混合法制備陶瓷顆粒增強鋁合金粉末。原位反應法是通過原位反應形成含有增強相的鑄態鋁合金,再通過氣霧化方法制備適用于SLM的合金粉末,顆粒分布均勻,界面結合良好。機械混合法主要是通過球磨技術制備的粉末,制造成本低。

南京航空航天大學的Gu等[24-25]于2014、2015年對摻雜TiC的AlSi10Mg SLM成形進行了研究,采用球磨法制備了TiC/AlSi10Mg混合粉末,成形了致密度大于98%的試樣。研究發現,在SLM成形過程中,形成了圖2[25]中的沿晶界分布的環狀結構TiC增強相,抑制了鋁基體晶粒的長大,同時強化了晶界。細晶強化和晶界強化的共同作用,使鋁合金在保持延展性的同時,提高了強度、硬度和耐磨性,延展率、拉伸強度、硬度、摩擦系數和磨損率分別為10.9%、486 MPa、188 HV、0.36和2.94×10-5mm3/(N·m)。

圖2 SLM成形TiC/AlSi10Mg中的環狀增強相[25]Fig.2 Ring-structure reinforcement in SLMed TiC/AlSi10Mg[25]

2015年,南京航空航天大學的Chang等[26]研究了SiC初始粒徑對SiC/AlSi10Mg粉末體系SLM成形影響,成形了原位自生Al4SiC4+SiC增強的AlSi10Mg試樣,致密度達到97%。研究發現,SiC的添加提高了混合粉末的激光吸收率,隨著SiC顆粒粒徑減小,硬度和耐磨性能均有提高,硬度和磨損率分別達到218 HV和2.94×10-5mm3/(N·m)。這是由于細小的SiC顆粒有助于粉末充分熔化,提高熔池流動性,使熔池鋪展更加均勻,致密度和顆粒分布均勻性得到提高。

南京航空航天大學的Dai等[27-28]于2016、2018年開展了摻雜AlN的AlSi10Mg SLM成形研究,制備了致密度為97%的AlN/AlSi10Mg納米復合材料,并采用有限體積方法(finite volume method,FVM)對SLM過程中熱對流、遷移行為和增強粒子分布狀態進行了建模仿真。研究發現,AlN作為異質形核點促進了晶粒細化,激光能量密度對致密度、AlN分布有顯著影響,進而影響試樣耐磨性能,激光能量密度為420 J/mm3時磨損率最小,為3.4×10-4mm3/(N·m)。對比仿真與試驗結果發現數據擬合良好,該模型可用于其他材料SLM成形過程模擬。

2017年,比利時魯汶大學的Li等[29]對原位自生納米TiB2顆粒增強的AlSi10Mg合金進行了SLM的成形研究。結果表明,TiB2能夠提高鋁合金激光能量吸收率,改善鋁合金成形性能,在激光能量密度為95 J/mm3時成形致密度大于99%的試樣。TiB2/AlSi10Mg試樣晶粒尺寸約2 μm,較SLM成形Al-Si合金(約10 μm)明顯細化,拉伸強度由360 MPa提高到530 MPa。同年,章敏立等[34]、廉清等[31]采用混合鹽法和氣霧化技術制備了原位自生的TiB2/Al-7Si-0.5Mg-Cu復合粉末,開展了SLM成形TiB2/Al-Si復合材料的研究。結果發現,TiB2的細晶強化和彌散強化作用使其力學性能較鑄件明顯提高,抗拉強度和延展率達到435 MPa和11.8%。

Zhou等[32]于2018年開展了SLM成形Al-15Si/TiC硬度及耐磨性能的研究。結果表明,分布于Al基體中的TiC顆粒可以穩定鋁合金顯微組織,降低熱處理對硬度的負面影響,最終獲得致密度97%、硬度為145 HV、摩擦系數為0.42及磨損率為2.75×10-5mm3/(N·m)的試樣。

3 其他材料摻雜

除金屬和陶瓷顆粒外,其他材料的摻雜也能起到強化鋁合金力學性能的作用。

美國加州大學的Martin等[33]于2017年通過靜電組裝技術制備了摻雜納米ZrH2顆粒的7075鋁合金粉末,對高強度鋁合金的SLM成形進行了研究。研究發現,成形試樣晶粒明顯細化,且無裂紋,T6處理后,拉伸強度達到383～417 MPa、屈服強度為325～373 MPa、延展率為3.8%～5.4%。

2018年,中北大學的譚樂[34]開展了摻雜鍍鋁石墨烯的AlSi10Mg的SLM成形研究。試驗采用有機鋁化學還原法和真空球磨法制備了鋁合金復合粉末,發現球料比為8∶1、球磨轉速為230 r/min、球磨時間為2 h時石墨烯分散良好。在激光功率為300 W時,獲得了石墨烯分布均勻、成形質量良好的試樣,顯微硬度達到169 HV,較AlSi10Mg高出40%。

同年,李明川等[35]、Jiang等[36]開展了摻雜碳納米管的AlSi10Mg SLM成形研究。采用甲基吡絡烷酮試劑超聲分散制備了CNTs/AlSi10Mg的復合粉末,發現當CNTs含量為1.0%,掃描速度為1 300 mm/s時,試樣致密度最高,達到98%。SLM成形過程中,大部分分布在晶界處的CNTs仍能保持原有結構,阻礙液相在凝固過程中的晶界遷移,促進晶粒細化,使試樣顯微硬度和拉伸強度均有提高,達到143 HV和499 MPa。

4 結論與展望

隨著航空工業對鋁合金部件復雜度、輕量化要求的提高,鋁合金SLM成形技術受到更多關注。現階段由于適用于SLM成形技術的鋁合金粉末種類少且成形試樣性能較差,難以實現廣泛應用。

摻雜具有明顯提高鋁合金性能的作用而成為近年的研究重點,多種摻雜鋁合金SLM成形已獲得了初步成功,目前研究主要集中于摻雜Sc、Zr元素的Al-Mg合金和Al-Cu-Mg合金,以及摻雜TiC和SiC等陶瓷顆粒的Al-Si合金和Al-Si-Mg合金。Sc、Zr元素主要改善鋁合金的成形性能,抑制熱裂紋的產生。陶瓷顆粒主要提高成形試樣的硬度和耐磨性能,部分陶瓷顆粒還能改善鋁合金粉末激光吸收率,使成形效率更高。目前對于摻雜材料在SLM過程中的反應情況、強化機制以及摻雜物質與鋁基體間的界面結合情況等影響成形試樣致密度和力學性能的關鍵因素尚不完全清楚,是今后此領域研究的主要方向。