增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷與力學(xué)性能研究進(jìn)展

李雯哲，錢 鋒,2*，程興旺,2,3

(1 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2 北京理工大學(xué)沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 北京理工大學(xué) 唐山研究院，河北 唐山 063003)

鋁合金因具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，一直作為最重要的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、電力傳輸、機(jī)械制造、核電和建筑等國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。如今這些行業(yè)的快速發(fā)展不僅要求鋁合金具有優(yōu)良的服役性能，對(duì)其制備過程也提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的減材制造方法已難以滿足對(duì)鋁合金零件高效敏捷、綠色環(huán)保的制備要求。因此，探索更為穩(wěn)定、智能的鋁合金零件制備方法成為鋁合金行業(yè)亟待解決的難題。增材制造是一種新興的快速成形技術(shù)，其本質(zhì)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)的指令下，將金屬粉末或絲材通過逐道次、逐層制造的方式制備成三維金屬零件。因此，增材制造能夠擺脫模具的限制，以近凈成形的方式高效制備結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜的金屬零件，為鋁合金零件的制備提供了嶄新的思路。然而，增材制造往往采用激光束或電子束作為能量源，使合金在極高的溫度梯度和冷卻速率條件下發(fā)生凝固；此外，中高強(qiáng)鋁合金具有高熱導(dǎo)率和激光反射率、寬凝固溫度范圍等本征性質(zhì)。因此，采用增材制造技術(shù)制備的中高強(qiáng)鋁合金零件中易形成諸多缺陷，其中熱裂紋問題最為嚴(yán)重，損害零件的力學(xué)性能和使用安全性，限制其實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。本文總結(jié)了增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中的缺陷類型及其成因，并從優(yōu)化工藝參數(shù)、合金成分和添加形核劑三個(gè)方面，重點(diǎn)討論消除增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中缺陷，改善其力學(xué)性能的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。

1 中高強(qiáng)鋁合金

鋁合金是以純鋁為基礎(chǔ)的合金總稱，主合金元素有銅、硅、錳、鋅、鎂等，微量合金元素包括鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等[1]，根據(jù)主合金元素的不同可分為八大類鋁合金[2]。其中2×××(Al-Cu)，6×××(Al-Mg-Si)和7×××(Al-Zn-Mg)系鋁合金為中高強(qiáng)鋁合金，都屬于可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，經(jīng)過固溶+高溫人工時(shí)效(160～200 ℃)熱處理后可達(dá)到峰值時(shí)效(T6)狀態(tài)。T6態(tài)中高強(qiáng)鋁合金的高密度納米析出強(qiáng)化相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化效果使其強(qiáng)度達(dá)到最高值。

2/6/7×××系中高強(qiáng)鋁合金中的合金元素含量較低，都屬于變形鋁合金[3]。目前鋁合金零件的制備主要依靠“鑄造—變形加工—去除切削—熱處理”流程[4]，首先通過熔煉和鑄造生產(chǎn)出鋁合金鑄坯錠，隨后對(duì)其進(jìn)行軋制、擠壓、冷拔、鍛造或冷沖變形加工，制成板、帶、管、棒或線狀鋁合金零件半成品，最終通過去除處理(如銑削、鋸切等方式)和熱處理得到自由形狀鋁合金零件成品。

不難看出，上述傳統(tǒng)制造過程會(huì)產(chǎn)生大量工業(yè)廢氣廢水、鋁灰廢渣和工業(yè)噪聲等。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國(guó)普遍意識(shí)到“節(jié)能減排，綠色發(fā)展”的必要性，我國(guó)更是提出“努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的奮斗目標(biāo)，因此，響應(yīng)國(guó)家優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的號(hào)召，探索更為環(huán)境友好的中高強(qiáng)鋁合金制造方法成為亟待解決的難題。

2 金屬增材制造

2.1 金屬增材制造特點(diǎn)

金屬增材制造的過程可分為4步：(1)通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD-CAM)軟件建模，設(shè)計(jì)出所需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[5]；(2)將三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式的文件，即將物體模型的所有表面都近似處理為多邊形結(jié)構(gòu)[6]；(3)將STL格式的模型分切成無數(shù)個(gè)橫截面，即逐層切片[7]；(4)指導(dǎo)打印機(jī)逐層、逐行、逐點(diǎn)打印。金屬增材制造顛覆了傳統(tǒng)減材制造的流程規(guī)劃和理念模式，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)向現(xiàn)代制造業(yè)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了深刻影響[8-9]。增材制造的顯著特征可概括為以下3點(diǎn)：(1) 近凈成形，僅需要少量甚至無須后加工，一方面節(jié)省大量工序而節(jié)約制造成本，另一方面節(jié)約大量原材料而提高材料利用率；(2) 敏捷成形，成形速率快，提高實(shí)際生產(chǎn)效率；無須模具，在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段可以隨時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)好的成品來調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)快速迭代而縮減反復(fù)開模所耗費(fèi)的成本及時(shí)間；(3) 自由成形，通過逐層制造擺脫模具限制，提高設(shè)計(jì)自由度和制造靈活度，可以實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，提高產(chǎn)品的個(gè)性化程度。

2.2 金屬增材制造技術(shù)分類

目前金屬直接增材制造技術(shù)可大致分為直接能量沉積技術(shù)(direct energy deposition，DED)和粉末床熔融技術(shù)(powder bed fusion，PBF)。其中，DED又可分為激光熔融沉積(laser melting deposition，LMD)和電弧增材制造(wire arc additively manufacture，WAAM)，PBF又可分為選區(qū)激光熔融(selected laser melting，SLM)和電子束選區(qū)熔融(electron beam selective melting，EBSM)。表1為各類增材制造技術(shù)及其特點(diǎn)[10]。DED適用于大體積零件制造，其中LMD更適用于材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化制造，而WAAM具有低成本的特點(diǎn)；PBF則更適用于小尺寸精密零件制造，其中SLM制造的零件精度更高、表面質(zhì)量更好，而EBSM制造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更低。因此，研究人員可以根據(jù)金屬零件的用途選擇合適的增材制造技術(shù)，利用合適的金屬粉末或絲材制造出金屬零件成品或半成品。

表1 各類增材制造技術(shù)及其特點(diǎn)[10]Table 1 Different additive manufacturing techniques and features[10]

3 增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷

圖1 合金凝固過程中的凝固速率、溫度梯度和晶粒形貌之間的關(guān)系[15]Fig.1 Relationship between solidification rate,temperature gradient and microstructure during alloy solidification[15]

3.1 熱裂紋

鋁合金在增材制造過程中表現(xiàn)出極高的熱裂紋敏感性，其中以凝固裂紋問題最為嚴(yán)重。熱裂紋往往會(huì)沿著粗大柱狀晶之間的晶界開裂，并貫穿于多層打印層之間，嚴(yán)重?fù)p害其機(jī)械強(qiáng)度、疲勞壽命和斷裂韌度。鋁合金極高的熱裂紋傾向性主要與本征性質(zhì)有關(guān)。

(1)熱導(dǎo)率較高[25]。在增材制造很高的加工溫度下，鋁合金凝固時(shí)很難獲得足夠的過冷度，因此凝固形核率低，普遍形成柱狀晶的微觀結(jié)構(gòu)。

(2)激光反射率高[26]。對(duì)于波長(zhǎng)為1064 nm的激光吸收率僅為5%～15%，為了使鋁合金粉末充分熔化凝固，需要提高增材制造過程中的激光功率[27]，故加工過程中的溫度梯度和冷卻速率進(jìn)一步提高，形成的柱狀晶較其他材料而言也更為粗大。

圖2 增材制造鋁合金的凝固行為[29](a)凝固曲線；(b)不同凝固溫度區(qū)間下的凝固機(jī)理圖Fig.2 Solidification behavior of additively manufactured aluminium alloys[29](a)solidification curves;(b)schematic representation of solidification under different temperature ranges

(3)中高強(qiáng)鋁合金的凝固溫度范圍普遍較大(固/液相線距離遠(yuǎn))[28]。如7075鋁合金的凝固范圍為Δ170 K(如圖2(a)橙色線所示)，而AlSi10Mg合金的凝固范圍僅為Δ30 K(如圖2(a)藍(lán)色線所示)[29]。因此，不同于AlSi10Mg中的短小枝晶，中高強(qiáng)鋁合金凝固時(shí)有較長(zhǎng)時(shí)間處于液固共存狀態(tài)(糊狀區(qū))，在缺少形核位點(diǎn)的情況下進(jìn)而形成枝晶和枝晶間液體長(zhǎng)通道(圖2(b))[29]，這將導(dǎo)致：①枝晶內(nèi)和枝晶間在凝固過程中的凝固程度不同，易引入熱應(yīng)力而促進(jìn)熱裂紋萌生[30-31]；②糊狀區(qū)的枝晶網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，阻礙液體向體積收縮區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致中高強(qiáng)鋁合金的流動(dòng)性差，難以彌補(bǔ)體積收縮區(qū)域的體積變化，從而促進(jìn)熱裂紋萌生[28,32]。

(4)合金在激光增材制造凝固過程中溫度梯度極大，易引入大量熱應(yīng)力[33-34]，再加上中高強(qiáng)鋁合金的熱膨脹系數(shù)大[27]，凝固時(shí)體積收縮明顯，極易在柱狀晶薄弱晶界處形成熱裂紋(凝固裂紋)[35]，且由于柱狀晶較為粗大，熱裂紋往往會(huì)存在于數(shù)層打印層之間。

(5)合金元素在增材制造快速凝固過程中來不及充分?jǐn)U散，易在能量、結(jié)構(gòu)、成分起伏較大的晶界處富集[29]。因此，當(dāng)鋁合金完全凝固后，在柱狀晶間的晶界處會(huì)形成大量脆性金屬間化合物，在逐層累積的熱應(yīng)力作用下容易作為熱裂紋萌生源而發(fā)生開裂(液化裂紋)。

3.2 孔洞

孔洞的存在也會(huì)降低材料的致密度而損害其性能。中高強(qiáng)鋁合金在增材制造過程中易形成匙孔、氣孔和未熔合缺陷(圖3)。

孔洞特征和形成原因?yàn)椋?/p>

(1)匙孔：大型不規(guī)則孔洞(圖3(a))。鋁合金粉末中的Mg，Zn等元素沸點(diǎn)較低，分別為1107 ℃和907 ℃。在較高激光能量作用下易發(fā)生選擇性蒸發(fā)，產(chǎn)生朝向熔池底部的、大于液態(tài)金屬表面張力的反沖壓力，形成輪廓凹凸不平、內(nèi)部空腔的匙孔。

(2)氣孔：球形孔洞(圖3(b))是增材制造金屬中最普遍的孔洞類型。鋁合金粉末的吸濕度較高[36-37]，水分子在高激光功率的作用下形成氫氣，而氫氣在液態(tài)、固態(tài)鋁合金中的溶解度變化極大，分別為0.65 mL/100 g和0.034 mL/100 g[6,38]，即在鋁合金凝固時(shí)氫氣的溶解度降低近100%。但是，鋁合金在3D打印過程中的凝固速率極快，這部分多余的氫氣來不及充分?jǐn)U散而被困在固態(tài)鋁合金中，最終形成氫孔。

(3)未熔合缺陷：小型不規(guī)則孔洞(圖3(c))。鋁合金粉末的激光反射率高，導(dǎo)致激光熔融過程中用于熔化合金粉末顆粒的激光能量不足，使相鄰層之間的熔融重疊不充分，從而導(dǎo)致相鄰層間形成未熔合孔洞。

圖3 各類孔洞尺寸示意圖 (a)匙孔；(b)氣孔；(c)未熔合缺陷Fig.3 Schematic diagrams of different porosities (a)keyhole;(b)gas pore;(c)lack of fusion defect

此外，鋁合金粉末的流動(dòng)性較差[39-40]，難以連續(xù)、穩(wěn)定地送入熔池中，再加上鋁合金粉末顆粒表面易形成合金氧化物，均導(dǎo)致鋁合金粉末顆粒與基材接觸不良。基于最小表面能原理，液態(tài)金屬在表面張力的作用下可能會(huì)收縮為球形，這種球化作用同樣會(huì)使鋁合金形成未熔合缺陷。

3.3 元素?fù)]發(fā)

增材制造過程中的激光能量較高，若合金中某些元素的沸點(diǎn)低于合金母材沸點(diǎn)，則可能會(huì)發(fā)生選擇性蒸發(fā)。表2為SLM增材制造鋁合金的化學(xué)成分。鋁合金粉末中的Mg，Zn等元素在較高激光功率熔融時(shí)易揮發(fā)[25]，合金成分易發(fā)生波動(dòng)而引起成分變化，這將改變材料的凝固組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性等。

表2 SLM增材制造鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Chemical compositions of SLM additively manufactured aluminum alloys(mass fraction/%)

3.4 氧化現(xiàn)象

由于氧化鋁的熱力學(xué)穩(wěn)定性較高，鋁合金粉末表面極易產(chǎn)生氧化膜。盡管增材制造過程中不斷充入惰性氣體，但真空腔室中仍會(huì)有0.1%～0.2%的氧氣殘留，這導(dǎo)致在逐層打印過程中會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象[9]。一方面，增材制造過程中的氧化現(xiàn)象會(huì)顯著降低增材制造鋁合金的零件質(zhì)量；另一方面，打印層之間的氧化會(huì)導(dǎo)致下一打印層中的合金粉末顆粒團(tuán)聚，使粉末分布不均勻，嚴(yán)重?fù)p害零件的結(jié)構(gòu)完整性和精度。因此，抑制氧化膜的形成不僅可以提高增材制造鋁合金零件的質(zhì)量，還可以有效改善其力學(xué)性能。

4 增材制造中高強(qiáng)鋁合金的研究進(jìn)展

研究表明，增材制造金屬零件中普遍存在孔洞缺陷[41]。這種缺陷是難以避免的，即使后續(xù)進(jìn)行熱處理(如應(yīng)力釋放、退火和熱等靜壓等)和表面處理(如機(jī)械/電解拋光、噴丸處理和振動(dòng)磨削等)也很難將其完全消除[42-44]。然而，增材制造金屬零件中的熱裂紋是可以消除的。

4.1 優(yōu)化工藝參數(shù)

優(yōu)化工藝參數(shù)[28,45-46]，是通過調(diào)控合金凝固時(shí)的冷卻速度和溫度梯度，控制柱狀晶的生長(zhǎng)，減少熱應(yīng)力的逐層累積，最終達(dá)到消除增材制造中高強(qiáng)鋁合金零件中的熱裂紋的目的。

增材制造常規(guī)的工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描策略、激光移動(dòng)間距、層厚和束斑直徑等。LMD增材制造工藝參數(shù)還包括送粉速率。目前研究大多通過調(diào)控激光功率和掃描速度這2個(gè)工藝參數(shù)來抑制熱裂紋的形成。

Caiazzo等[47]采用LMD制備2024鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)在送粉速率為3 g/min、束斑直徑為3 mm下，激光功率為2.5 kW、掃描速度為420 mm/min是最佳的工藝參數(shù)，此時(shí)零件的幾何穩(wěn)定性最好、表面質(zhì)量最佳。Zhang等[13]采取SLM制備Al-Cu-Mg(成分近2024)鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控掃描速度和激光間隔距離，將激光能量密度提高至340 J/mm3以上可以保證零件致密度并消除其中的熱裂紋，其原始態(tài)抗拉強(qiáng)度可達(dá)402 MPa。Deng等[48]采用SLM制備2124鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)使用中空結(jié)構(gòu)的柵欄支架可以有效釋放熱應(yīng)力，從而抑制熱裂紋形成。激光功率為150 W、掃描速度為100 mm/s時(shí)的零件致密度最高、力學(xué)性能最佳，原始態(tài)抗拉強(qiáng)度可達(dá)301 MPa。Oko等[49]采用SLM制備7075鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高激光功率、降低掃描速度和激光移動(dòng)距離可以有效提高零件致密度和硬度。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用PBF增材制造金屬零件時(shí)，粉末床溫度也可作為工藝參數(shù)變量進(jìn)行調(diào)控，從而減弱熱應(yīng)力的累積而抑制熱裂紋萌生。Kenevisi等[50]采用EBSM制備2024鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)在將粉末床溫度固定為350 ℃的基礎(chǔ)上，通過調(diào)控掃描速度將輸入能量密度控制在43 J/mm3時(shí)的零件致密度最高、力學(xué)性能更佳，原始態(tài)抗拉強(qiáng)度可達(dá)314 MPa。Uddin等[45,51]采用SLM制備6061鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)將粉末床溫度從室溫提高至500 ℃可以有效抑制熱裂紋形成，但其力學(xué)性能仍遠(yuǎn)低于鑄造6061鋁合金(硬度54HV，屈服強(qiáng)度60 MPa，抗拉強(qiáng)度130 MPa，均勻伸長(zhǎng)率15%)。Maamoun等[52]采用SLM制備6061鋁合金零件，在將粉末床溫度固定為200 ℃的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)在激光功率為370 W、掃描速度為1000 mm/s、激光間隔距離為0.19 mm(能量密度為47.2 J/mm3)時(shí)的熱裂紋尺寸最小、數(shù)量最少，此時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值為184 MPa。然而，Kaufmann等[12]采用SLM制備7075鋁合金零件時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)將粉末床溫度提高至200 ℃并不能有效抑制熱裂紋的形成。

4.2 優(yōu)化合金成分

優(yōu)化合金成分可以通過調(diào)控合金中Si，Ni等元素的含量，提高共晶相的含量，并縮小合金凝固時(shí)的溫度范圍，從而改善合金的流動(dòng)性并抑制合金的熱膨脹；也可以通過調(diào)控合金中Zr，Sc等元素的含量，提高鋁合金凝固時(shí)的成分過冷度，從而提高凝固形核率而細(xì)化晶粒形貌，最終達(dá)到抑制熱裂紋的萌生。

Montero-sistiaga等[53]和Otani等[54-55]均采取SLM制備7075鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)提高合金中Si元素的含量可以使原粗大柱狀晶明顯細(xì)化，解決了熱裂紋問題(圖4(a)～(d)[53])，其原始態(tài)抗拉強(qiáng)度可達(dá)537 MPa，伸長(zhǎng)率9.7%。Li等[56]采用SLM制備7075鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)引入Si和Zr元素可以促使形成等軸-柱狀雙晶粒結(jié)構(gòu)(圖4(e))，有效抑制熱裂紋的產(chǎn)生，在激光功率為300 W時(shí)可達(dá)到最佳力學(xué)性能，原始態(tài)屈服強(qiáng)度為397 MPa，抗拉強(qiáng)度為446 MPa，伸長(zhǎng)率為6.5%。

在采用SLM制備6061鋁合金零件方面，Mehta等[57]通過氣霧化制備了6061-0.01Zr鋁合金粉末，Carluccio等[58]和Qbau等[59]制備了6061-Sc鋁合金粉末。研究發(fā)現(xiàn)，引入Zr或Sc元素可以細(xì)化粗大柱狀晶，并在熔池邊界處形成等軸晶(圖4(f),(g)[57])，有效抑制熱裂紋的萌生和外延生長(zhǎng)，顯著改善SLM增材制造6061鋁合金的力學(xué)性能，其中6061-0.01Zr的原始態(tài)抗拉強(qiáng)度為268 MPa，伸長(zhǎng)率為26.5%。

圖4 7075(a)和7075-4Si(b)的OM圖[53]， 7075(c)[53]，7075-4Si(d)[53]，7075-Si-Zr(e)[56]，6061(f)[57]和6061-0.01Zr(g)[57]的EBSD圖Fig.4 OM images of 7075(a) and 7075-4Si(b)[53],EBSD images of 7075(c) [53]，7075-4Si(d)[53],7075-Si-Zr(e)[56],6061(f)[57] and 6061-0.01Zr(g) [57]

4.3 添加形核劑

添加形核劑引入異質(zhì)形核位點(diǎn)可以促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，利用等軸晶粒比柱狀晶更易旋轉(zhuǎn)和變形、更能承受高熱應(yīng)力的特點(diǎn)而減弱熱裂紋傾向性，并削弱成品零件的各向異性。目前研究普遍采用在中高強(qiáng)鋁合金粉末中引入含Zr，Sc或Ti元素的形核劑，從而增加形核位點(diǎn)。

圖5 SLM增材制造7075(a)和7075/ZrH2(b)的SEM圖[29]，7075(c)[29]，7075/ZrH2(d)[29]，6061-2%YSZ(e)[46]的EBSD圖，以及6061-2%YSZ(f)的OM圖[46]Fig.5 SEM images of SLM additively manufactured 7075(a) and 7075/ZrH2(b)[29],EBSD images of 7075(c)[29],7075/ZrH2(d)[29],6061-2%YSZ(e)[46],and OM image of 6061-2%YSZ(f)[46]

4.3.1 添加含Zr/Sc元素的形核劑

Martin等[29]采用SLM制備6061和7075鋁合金零件時(shí)，通過在鋁合金粉末中加入ZrH2形核劑粉末，成功將粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶晶粒形貌，基本消除熱裂紋(圖5(a)～(d))。Opprecht等[46,60]采取SLM制備6061鋁合金零件，并通過加入2%(體積分?jǐn)?shù))的YSZ粉末(94.3ZrO2-3.6Y2O3-1.7HfO2-0.4Al2O3)形成明顯的等軸-柱狀雙晶粒結(jié)構(gòu)，此時(shí)等軸晶區(qū)域面積足夠大，可以完全消除其中的熱裂紋(圖5(e),(f))[46]。通過透射電子顯微鏡和X射線衍射分析，Opprecht認(rèn)為在激光作用下YSZ顆粒首先熔化或發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量Zr原子，在隨后的凝固過程中以Al3Zr第二相的形式在熔池邊界處析出，為α-Al的凝固提供大量形核位點(diǎn)，從而促使在熔池邊界處形成等軸晶。

4.3.2 添加含Ti元素的形核劑

Tan等[61]采用SLM制備2024鋁合金零件，并通過在2024鋁合金粉末中加入純Ti納米顆粒，成功將粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶(圖6(a)～(d))，并完全消除熱裂紋，其T6態(tài)的屈服強(qiáng)度為286 MPa，抗拉強(qiáng)度為432 MPa，伸長(zhǎng)率為10%。Carluccio等[58]采用SLM制備6061鋁合金零件，并通過在6061鋁合金粉末中添加TiBor?細(xì)化劑，成功將粗大柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。

Lei等[62]和Jiang等[63]采用LMD制備7075鋁合金零件，并通過加入4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiB2形核劑粉末，成功將粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶(圖6(e),(f))[62]，其平均晶粒尺寸降低至16.8 μm，硬度提高至128HV。Chen等[64]采用LMD制備2024鋁合金零件，并通過加入0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiB2形核劑粉末，成功將粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，其平均晶粒尺寸從431 μm降低至114 μm。Wang等[65]采用SLM制備Al-3.5Cu-1.5Mg-1Si(成分近2024)鋁合金零件，研究發(fā)現(xiàn)加入5%(體積分?jǐn)?shù))的TiB2形核劑粉末可以產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化效果，其原始態(tài)平均晶粒尺寸從23 μm降低至2.5 μm，原始態(tài)屈服強(qiáng)度從157 MPa提高至191 MPa。

5 結(jié)束語

增材制造常規(guī)的工藝參數(shù)可分為能量相關(guān)工藝參數(shù)和幾何相關(guān)工藝參數(shù)。能量相關(guān)工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、束斑直徑等，與金屬粉末顆粒的逐點(diǎn)熔化有關(guān)，主要保證提供連續(xù)的能量輸入；而幾何相關(guān)工藝參數(shù)包括激光間隔距離、層厚、掃描方式等，體現(xiàn)了各掃描軌道和各層的熔融制造存在一定間隔。由于增材制造逐點(diǎn)、逐道次、逐層的制造特點(diǎn)，故在制造過程中存在本征的層間停留時(shí)間等非常規(guī)工藝參數(shù)，這些增材制造工藝參數(shù)也會(huì)對(duì)成品零件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

圖6 SLM增材制造2024(a)和2024-Ti(b)OM圖[61]，SLM增材制造2024(c)[61]和2024-Ti(d)[61]，LMD增材制造7075(e)[62]和7075-4TiB2(f)[62]的EBSD圖Fig.6 OM images of SLM additively manufactured 2024(a) and 2024-Ti(b)[61],EBSD images of SLM additivelymanufactured 2024(c)[61] and 2024-Ti(d)[61],LMD additively manufactured 7075(e)[62] and 7075-4TiB2(f)[62]

合金成分決定了溶質(zhì)原子的分布情況和擴(kuò)散過程，而溶質(zhì)原子是產(chǎn)生成分過冷的根本原因，因此合金成分對(duì)晶粒形貌有著決定性作用。在增材制造中高強(qiáng)鋁合金時(shí)，可以通過調(diào)控合金元素含量而優(yōu)化合金成分，也可以通過添加形核劑而引入異質(zhì)形核位點(diǎn)，二者都可以用于改善增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織并提高其力學(xué)性能。

總而言之，工藝參數(shù)和合金成分是影響增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的兩個(gè)關(guān)鍵性因素，二者相互影響、相互依存，均通過控制熱作用和溶質(zhì)再分配作用而影響增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能。然而，當(dāng)前有關(guān)增材制造中高強(qiáng)鋁合金的研究中，針對(duì)工藝參數(shù)和合金成分的優(yōu)化探索較為分裂，在未來，需要將二者相結(jié)合、相配合，以綜合改善增材制造中高強(qiáng)鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能。

值得注意的是，增材制造鋁合金時(shí)Mg，Zn等元素的揮發(fā)會(huì)使合金成分發(fā)生波動(dòng)，在通過調(diào)控合金元素含量或添加形核劑而優(yōu)化晶粒形貌的研究中，合金成分更是發(fā)生明顯改變。此時(shí)，適用于傳統(tǒng)鋁合金的熱處理方法已不再適用于增材制造鋁合金，因此，未來需要進(jìn)一步探索增材制造鋁合金的最佳熱處理工藝，從而獲得高強(qiáng)塑性增材制造鋁合金。