Scalmalloy與 AA5754、AA6061-T6 鋁合金的3D打印研究與進展
Scalmalloy® 已被提議用作民用和軍用飛機的增材制造 (AM) 替代鋁合金材料，并可以用于增材制造衛星和空間結構。根據3D科學谷的市場研究，Scalmalloy® 是一種 Sc 和 Zr 改性的 5xxx 合金。這是開發用于 LPBF 的高強度鋁 (Al) 合金的第一個里程碑，凝固過程中初生 Al3(Sc1-xZrx) 核（與 Al 基體相干）的沉淀導致等軸晶粒的局部形成。
本期，以先前調查的結果為基礎，揭示 Scalmalloy® 的裂紋擴展曲線類似于與廣泛用于汽車工業和海運船舶的鋁合金 AA5754 和 AA6061-T6 相關的裂紋擴展曲線。
發展中的高強度鋁合金
根據吳鑫華院士，高強度3D打印鋁合金在航天制造領域的應用尤為重要，主要目標是實現航天器減重以及縮短交付周期，從而降低綜合生產成本、提升綜合效益。高強度3D打印鋁合金可使航天器零件減重20-90%不等，加工周期縮短3-12個月不等。典型應用包括：衛星射頻陣列天線支架，耦合震動阻尼器，空間站中多種支架構件如：導軌支架、測控天線支架。無論是焊接工藝還是選區激光熔化工藝，產生熱裂紋的原因大體相似。在這兩種情況下，工藝參數都會引起熱應力，這是造成裂紋的關鍵因素。然而通過工藝參數控制難以實現對熱應力的控制。要想顯著降低熱應力，就需要大幅降低溫度梯度，而在選區激光熔化工藝中，無法通過工藝參數或環境的改變實現這一目標。在熱處理過程中，用于產生強化相的合金元素通常會增加凝固溫度范圍，在之前的研究中，這一點也是十分不利的。
近年來，材料科學界的研究重點逐漸轉向開發適合 LPBF 工藝獨特條件的新型高性能合金，合金設計概念通常基于高冷卻速率 (105-106 K/s ) 和極高的溫度梯度 (G ~ 106 K/m)，這提高了合金的溶解度極限，并促進亞穩態相的形成。不過在3D打印工藝中，高溫度梯度通常會引起沿構造方向拉長的柱晶結構，促進熱裂紋現象的產生。
控制裂紋
現在已知的Scalmalloy® 具有類似于 AA7075-T7351（一種廣泛用于傳統飛機的鋁合金）的機械性能和裂紋擴展曲線。在本文中，3D科學谷將結合市場的科研結果將其裂紋擴展行為與廣泛用于航運、汽車車身和與化工廠相關的基礎設施的鋁合金 AA5754 和廣泛用于輕型飛機、自行車車架、電機的 AA6061-T6 進行比較。
三種合金的機械性能比較見表 1：
表 1. Scalmalloy® 和兩種廣泛使用的鋁合金的屈服應力、極限強度和失效應變的比較。AA5754 的 σy 和 σult 值因回火程序而異。
熱處理后的 LPBF基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印加工的 Scalmalloy® 具有優于 AA5754 和 AA6061-T6 的機械性能。然而，與 AA5754 和 AA6061-T6 相比，與 Scalmalloy® 相關的 da/dN 與 ΔK 曲線的裂紋擴展性能如何？
之前已經看到Scalmalloy® 中的裂紋擴展類似于 AA7075-T7351 合金中的裂紋擴展。可以看到 AA5754 的長裂紋和“短裂紋”曲線之間的一致性。還看到與 Scalmalloy®、AA5754 和 AA6061-T6 相關的 R = 0.1 曲線之間的相似性。
圖 1. Scalmalloy®的 R = 0.1 da/dN 與 ΔK 曲線、短裂紋擴展
圖 2. Scalmalloy® 的 R = 0.7 da/dN 與 ΔK 曲線
圖 2 顯示了案例 d) 到 g) 的高 R 比 da/dN 與 ΔK 曲線，其中再次看到與 Scalmalloy® 相關的 R = 0.7 曲線與與 AA5754 相關的高 R 比測試之間的相似性和 AA6061-T6。圖 1 和 2 還表明，與 AA7050-T7451 相關的小裂紋 R = 0.1 和 0.7 da/dN 與 ΔK 曲線也與 Scalmalloy® 中與裂紋擴展相關的相應長裂紋一致。這意味著，與 AA7050-T7451 相關的小裂紋曲線可以看作（大約）是 da/dN 與 ΔK 之間的功率關系的延伸。
圖 3 顯示，當考慮到不同的疲勞閾值和韌性時，各種 da/dN 與 Δκ 曲線非常相似。圖 3 中用于各種 AA5754 和 AA6061-T6 測試的常數值在表 2 中給出。為了幫助將 Scalmalloy® 與這些不同的鋁合金進行比較，圖 3 還包含 Scalmalloy® 的趨勢線。
裂紋的增長，即決定飛機運行壽命的那些增長最快的裂紋，可以使用方程來估計。研究發現增材制造的 Scalmalloy® 的裂紋擴展曲線類似于與公認具有良好疲勞性能的常用鋁合金 AA5754 和 AA6061-T6 相關的裂紋擴展曲線。這一發現增強了 Scalmalloy® 的潛力，與 AA5754 和 AA6061-T6 相比，它具有卓越的機械性能，可用于制造船舶、輕型飛機和汽車的增材制造零件，可制造商用鋁合金替代零件和軍用飛機零件，以及用于衛星和空間結構的輕質鋁部件。
新材料與新工藝
長期以來，在3D打印鋁合金材料中，僅少數Al-Si基鑄造合金已實現無裂紋加工。焊接性較差的鍛造鋁合金，由于高的熱梯度會促進柱狀生長并因此引起熱裂紋，因此鍛造級鋁合金的增材制造應用受到了很大的限制。
根據3D科學谷的市場觀察，這一限制正在被打破。2019年以來陸續商業化的高強度鋁合金3D打印材料，為原來必須通過鍛造來實現的零件加工打開了一扇嶄新的大門，結合3D打印所釋放的設計自由度，鍛造鋁合金增材制造技術將在壓力容器、液壓歧管、托架、高強度結構件領域獲得想象力巨大的市場空間。
YSZ+6061鋁合金
當前科研領域通過添加一定數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）可以誘導晶粒細化，改變3D打印6061鋁合金材料的微觀結構，從而消除熱裂紋現象。
減少鍛造類鋁合金通過增材制造過程加工的產品的裂紋，有兩種方法可以進行晶粒細化。第一種方法是在打印過程中控制熱應力。第二種方法是通過改變合金成分或在基礎粉末中直接添加成核劑來增強異相成核。
鋯基納米顆粒成核劑+7075和6061鋁合金
根據3D科學谷的市場觀察，還有一種高強度3D打印鍛造鋁合金材料也采用了添加鋯基成核劑的方式實現晶粒細化、消除裂紋。該材料為HRL實驗室所開發的3D打印用高強度7A77.60L鋁粉，已正式投向市場。HRL實驗室選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現了細晶粒微觀結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度，這一3D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8％。
Al-Mn-Ti-Zr 合金
科研領域還提出了一種專門為 LPBF 工藝開發的低成本、無 Sc 且可廣泛使用的 Al-Mn-Ti-Zr 合金。該合金旨在用作 AlSi10Mg 替代品并具有類似的廣泛應用窗口。通過利用高凝固速率，非常規大量 Mn（3.7 ± 0.5 wt%）在 α-Al 基體內亞穩態凍結，顯著促進固溶硬化（~104 MPa ≙ 37% 屈服強度份額）。最終獲得的試樣的屈服強度為 284 ± 3 MPa，極限抗拉強度為 320 ± 1 MPa，斷裂伸長率為 16.9 ± 0.2%。這種新合金具有雙峰微觀結構，由交替分布的細等軸和粗柱狀晶粒區域組成。
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