激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting, SLM）是基于粉末床的典型金屬增材制造技術(shù)之一。變形鋁合金（Al-Cu-Mg）具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶等制造領(lǐng)域。然而SLM變形鋁合金面臨嚴(yán)峻的成形難題，微熔池快速冷卻過(guò)程中極易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等冶金缺陷。

        針對(duì)上述SLM變形鋁合金微觀缺陷難抑制的問(wèn)題，華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合愛(ài)爾蘭都柏林圣三一大學(xué)殷碩教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)熔池溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬與微觀組織表征，揭示了變形鋁合金SLM過(guò)程中球化、孔隙和裂紋的形成與冶金行為演變機(jī)制。最后，從材料設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新的角度討論了冶金缺陷的抑制方法，為理解變形鋁合金的致密化行為和SLM成形變形鋁合金的粉末材料與工藝設(shè)計(jì)提供了重要參考。

本期谷.專(zhuān)欄將分享以上研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)。

相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Powder Materials
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035

 創(chuàng)新點(diǎn)

I 從熔池溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)角度揭示了SLM成形變形鋁合金的孔隙形成機(jī)制

激光能量密度是決定樣品孔隙率的關(guān)鍵因素。

如圖1所示，能量密度過(guò)低時(shí)，金屬粉末熔化不充分，掃描軌跡不連續(xù)或不穩(wěn)定；能量密度過(guò)高時(shí)，過(guò)高的流速導(dǎo)致大量熔體飛濺，熔池狀態(tài)不穩(wěn)定，造成過(guò)度球化與過(guò)燒，且熔池表面湍流卷入氣體，最終形成孔隙。

圖1 不同能量密度下SLM掃描軌跡與熔池?zé)崃鲃?dòng)形貌

從熔池應(yīng)力場(chǎng)、晶粒組織結(jié)構(gòu)角度揭示了SLM成形變形鋁合金的裂紋形成機(jī)制。

SLM成形變形鋁合金時(shí)，熔池邊緣與熱影響區(qū)形成應(yīng)力集中，誘導(dǎo)的應(yīng)力超過(guò)了變形鋁合金的強(qiáng)度極限，造成基體撕裂形成裂紋。此外SLM熔池內(nèi)極高的溫度梯度導(dǎo)致粗大柱狀晶組織的形成，柱狀晶間的殘余液膜在凝固末期發(fā)生凝固收縮或熱收縮，在晶界處形成大量硬脆屬性的網(wǎng)狀析出物，引發(fā)裂紋（圖2）。

圖2 基于應(yīng)力集中與柱狀晶組織的裂紋形成機(jī)理

圍繞SLM成形鋁合金材料、工藝、后處理與組織性能等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列SLM鋁合金設(shè)計(jì)與制備研究，揭示了SLM成形鋁合金缺陷形成機(jī)制，闡明了SLM工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響規(guī)律，提出了面向SLM快熱快冷工藝特點(diǎn)的粉末材料設(shè)計(jì)方法，形成了幾類(lèi)高性能鋁合金粉末的制備方法，開(kāi)發(fā)的SLM專(zhuān)用AlCuMgTi、AlMgSc等系列鋁合金粉末，解決了傳統(tǒng)牌號(hào)鋁合金的開(kāi)裂難題，力學(xué)性能較傳統(tǒng)鋁合金提高35%以上，在中國(guó)航發(fā)、美國(guó)波音公司等單位關(guān)鍵零件上取得應(yīng)用，增材制造產(chǎn)品合格率提高25%。

I 近年來(lái)SLM成形鋁合金相關(guān)研究成果如下：

1. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35, 270-284. (ESI高被引，熱點(diǎn))
2. Materials Science and Engineering: A, 2019, 739: 463-472. (ESI高被引)
3. Additive Manufacturing, 2021, 38, 101829. (ESI高被引)
4. Powder Technology, 2017, 319:117-128.
5. Advanced Engineering Materials, 2019, 21, 1800650.
6. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 810, 151926.
7. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 41, 199-208.

l 論文作者團(tuán)隊(duì)
張金良、宋波、史玉升等
l 論文信息
Jinliang Zhang, Weihao Yuan, Bo Song, Shuo Yin, Xiaobo Wang, Qingsong Wei, Yusheng Shi. Towards understanding metallurgical defect formation of selective laser melted wrought aluminum alloys.Advanced Powder Materials.https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035
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