供稿人:黃勝；李滌塵 發(fā)布日期：2017-11-08
美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校John H. Martin團隊近日在Nature上發(fā)表論文稱，通過在粉末表面添加納米細(xì)化劑，采用選取激光熔化（SLM）方法，實現(xiàn)了高熱裂敏感性的高強度鋁合金（Al7075和Al6061）的增材制造，獲得的合金試樣的內(nèi)部無裂紋缺陷，強度與鍛造材料相當(dāng)。該方法突破了金屬增材制造材料的限制，可能實現(xiàn)各種合金的增材制造，有望推動金屬增材制造的工業(yè)應(yīng)用發(fā)展。
金屬增材制造或3D打印，是航空航天，生物醫(yī)學(xué)和汽車等多個行業(yè)潛在的顛覆性技術(shù)。逐層打印金屬部件可提高設(shè)計自由度和制造靈活性，實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和產(chǎn)品定制，縮短上市時間，同時消除傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟約束。但目前只有AlSi10Mg，TiAl6V4，CoCr和Inconel 718等少數(shù)合金可以可靠地增材制造，絕大部分合金在增材制造過程中，因溫度梯度存在，從熔池底部邊界以柱狀晶方式生長，凝固末期，枝晶間液相因凝固收縮和熱收縮而產(chǎn)生孔洞和熱裂紋（圖1c），最終形成存在裂紋的柱狀晶微觀組織（圖1e）。
通過在粉末表面添加晶格匹配的納米顆粒（圖1b），在熔池凝固過程中產(chǎn)生大量異質(zhì)形核劑，高密度的低能勢壘異質(zhì)形核位于凝固前沿，降低了等軸晶生長所需的臨界過冷度，合金將以等軸晶方式長大（圖1d），凝固過程中細(xì)小的等軸晶將更好地適應(yīng)收縮應(yīng)變和抑制裂紋產(chǎn)生，最終形成無裂紋的細(xì)小等軸晶顯微組織（圖1f）。采用該方法可實現(xiàn)以前難以實現(xiàn)的無裂紋缺陷的高性能合金的增材制造，圖1g，h為采用SLM獲得的6061和7075鋁合金樣件。對添加細(xì)化劑的7075粉末、未添加細(xì)化劑的7075粉末和AlSi10Mg粉末的SLM樣件進(jìn)行了拉伸試驗（圖2），結(jié)果表明添加細(xì)化劑的7075粉末的SLM樣件力學(xué)性能優(yōu)異，與7075合金鍛態(tài)相當(dāng)（表1）。
圖1 高強度鋁合金選區(qū)激光熔化示意圖a，傳統(tǒng)7075粉末；b，攜帶納米細(xì)化劑的7075粉末；c，傳統(tǒng)金屬的柱狀晶凝固過程（裂紋易產(chǎn)生）；d，添加納米細(xì)化劑金屬的等軸晶凝固過程；e，傳統(tǒng)金屬的顯微組織（反極圖）；f，添加納米細(xì)化劑金屬的顯微組織；g，3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化6061活塞。h，3D打印的7075 HRL標(biāo)志。
圖2 增材制造合金典型拉伸曲線
這種方法同樣適用于其他高熱裂敏感性合金，如不可焊接的鎳合金，超合金和金屬間化合物，可極大地擴展適用于增材制造的材料范圍，加速了增材制造工藝的應(yīng)用。
表1 合金性能比較
