中南大學(xué)李瑞迪教授：增材制造高強度鋁合金粉末成分設(shè)計、制備與應(yīng)用
時間：2021-09-12 20:32 來源：中國粉體網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
以探月、火星探測、空間站建設(shè)等為代表的我國航天事業(yè)正蓬勃發(fā)展，針對航空航天領(lǐng)域三類典型應(yīng)用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復(fù)合材料）、四類典型結(jié)構(gòu)（大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、輕量化點陣結(jié)構(gòu)、多功能仿生結(jié)構(gòu)等），鋁合金激光增材制造（SLM）
完美契合，有望成為下一代運載火箭、衛(wèi)星等核心零部件成形的關(guān)鍵技術(shù)。因此，開發(fā)出新一代增材制造高強鋁合金，已經(jīng)成為當前航天增材領(lǐng)域亟待完成的一個重要基礎(chǔ)研究任務(wù)。
▲SLM機理（圖片來源：楊永強等.金屬零件激光選區(qū)熔化3D打印裝備與技術(shù)）
基于粉床自動鋪粉的選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的粉末薄層（厚度通常為20～50μｍ），基于粉床逐層精細鋪粉、激光逐層熔凝堆積的方式，成形任意復(fù)雜形狀的高致密度構(gòu)件。SLM技術(shù)成形精度高，對特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如懸垂結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面、空間點陣等）制造的適用程度高，其發(fā)展方向是實現(xiàn)中小型復(fù)雜構(gòu)件直接精密凈成形，為高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的低成本、短周期、凈成形制造提供一體化解決方案。
對于激光增材制造而言，鋁基材料是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質(zhì)（低密度、低激光吸收率、高熱導(dǎo)率及易氧化等）決定的。從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉系統(tǒng)的精度及準確性要求較高。未熔化前，鋁對CO2激光的初始吸收率僅為９％，而其熱導(dǎo)率高達237Ｗ/（ｍ·Ｋ），為鐵的3倍、鈦的16倍，通常的低功率CO2激光難以使鋁粉體發(fā)生有效熔化。即便使用短波長、高功率光纖或Nd∶YAG激光使鋁粉發(fā)生初始熔化，其高的熱導(dǎo)率又將使輸入熱量急速傳遞而消耗掉，導(dǎo)致熔池溫度降低、熔池內(nèi)液相的黏度增加；同時，高溫下鋁熔體與氧具有很強的親和力，而激光成形腔體內(nèi)即便通過抽真空或通保護氣體使氧含量降至10×10-6（體積分數(shù)）以下，系統(tǒng)內(nèi)殘余的氧元素也會在熔體表面形成氧化膜，降低熔體的潤濕性和鋪展性，進而將促進金屬粉末SLM增材制造特有冶金缺陷--“球化”效應(yīng)及成形件內(nèi)部孔隙、裂紋等的發(fā)生，從而顯著降低激光增材制造構(gòu)件的成形性能。
目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復(fù)合材料如表1所示。雖然鋁合金種類很多，但激光增材技術(shù)除了Al-Si系比較成熟外，其他鋁合金成形工藝與之相比有巨大差距。Al-Si系合金因其鑄造鋁合金的材料本質(zhì)，雖然采用經(jīng)過優(yōu)化的激光增材制造工藝進行制備，但抗拉強度很難突破400MPa，從而限制了其在航空航天等領(lǐng)域服役性能要求更高的承力構(gòu)件上的使用。為進一步獲得更高的力學(xué)性能，近年來Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等鋁合金體系也被用作SLM成形材料，但這類鋁合金中較高的合金元素含量和較寬的冷卻凝固溫度范圍，使得沉淀強化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發(fā)生開裂；且相對于鋁元素，鎂等合金元素更易在高能激光的高溫作用下發(fā)生氣化蒸發(fā)，從而影響成形件的成分穩(wěn)定性及力學(xué)性能。
▲表1 激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能（表格來源：顧冬冬等.航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造）
中南大學(xué)的李瑞迪教授在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持下，與中車開展合作，針對現(xiàn)有增材制造商用鋁合金性能不足難題，提出基于層錯能效應(yīng)發(fā)展增材制造鋁鎂合金新型強韌化機理。針對易裂問題，從SLM鋁鎂合金的熱裂機理出發(fā)，揭示了合金成分與凝固應(yīng)力敏感性因子、層錯能及力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了激光增材制造高鎂含量鋁合金中存在9R相。通過抑裂機制-層錯能效應(yīng)強韌化機制-成分設(shè)計-疲勞性能-構(gòu)件質(zhì)量控制的系統(tǒng)研究，制備了屈服強度520MPa，拉伸強度570MPa，延伸率12%的增材制造鋁合金。研發(fā)的鋁合金粉末已成形出200×200mm的復(fù)雜零件，且通過疲勞性能測試，在中車工業(yè)獲得應(yīng)用驗證。
專家簡介
李瑞迪，中南大學(xué)粉末冶金研究院，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事金屬增材制造、粉末快速燒結(jié)研究。第一/通訊作者在Acta
Mater, Scripta Mater,
MMTA等本領(lǐng)域主流期刊發(fā)表SCI論文70余篇，其中ESI熱點論文1篇，ESI高被引5篇。擔(dān)任湖南省中小航空發(fā)動機零部件增材制造工程技術(shù)研究中心副主任，《Metals》、《Advanced
Powder Materials》等期刊編委，中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)分會委員。獲湖南省杰青、湖南省自然科學(xué)二等獎（排1）。
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