中南大學李瑞迪教授：增材制造高強度鋁合金粉末成分設計、制備與應用
時間：2021-09-12 20:32 來源：中國粉體網 作者：admin 閱讀：次
以探月、火星探測、空間站建設等為代表的我國航天事業正蓬勃發展，針對航空航天領域三類典型應用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復合材料）、四類典型結構（大型金屬結構、復雜整體結構、輕量化點陣結構、多功能仿生結構等），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、衛星等核心零部件成形的關鍵技術。因此，開發出新一代增材制造高強鋁合金，已經成為當前航天增材領域亟待完成的一個重要基礎研究任務。
▲SLM機理（圖片來源：楊永強等.金屬零件激光選區熔化3D打印裝備與技術）
基于粉床自動鋪粉的選區激光熔化（SLM）技術利用高能激光熔化處于松散狀態的粉末薄層（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，成形任意復雜形狀的高致密度構件。SLM技術成形精度高，對特殊復雜結構（如懸垂結構、薄壁結構、復雜曲面、空間點陣等）制造的適用程度高，其發展方向是實現中小型復雜構件直接精密凈成形，為高性能復雜結構金屬構件的低成本、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（低密度、低激光吸收率、高熱導率及易氧化等）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激光使鋁粉發生初始熔化，其高的熱導率又將使輸入熱量急速傳遞而消耗掉，導致熔池溫度降低、熔池內液相的黏度增加；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）以下，系統內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”效應及成形件內部孔隙、裂紋等的發生，從而顯著降低激光增材制造構件的成形性能。
目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復合材料如表1所示。雖然鋁合金種類很多，但激光增材技術除了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，雖然采用經過優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域服役性能要求更高的承力構件上的使用。為進一步獲得更高的力學性能，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生氣化蒸發，從而影響成形件的成分穩定性及力學性能。
▲表1 激光增材制造鋁合金及其復合材料的力學性能（表格來源：顧冬冬等.航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造）
中南大學的李瑞迪教授在國家重點研發計劃、國家自然科學基金的支持下，與中車開展合作，針對現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發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，揭示了合金成分與凝固應力敏感性因子、層錯能及力學性能的關系，發現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-層錯能效應強韌化機制-成分設計-疲勞性能-構件質量控制的系統研究，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。研發的鋁合金粉末已成形出200×200mm的復雜零件，且通過疲勞性能測試，在中車工業獲得應用驗證。
專家簡介
李瑞迪，中南大學粉末冶金研究院，教授，博士生導師，主要從事金屬增材制造、粉末快速燒結研究。第一/通訊作者在Acta
Mater, Scripta Mater,
MMTA等本領域主流期刊發表SCI論文70余篇，其中ESI熱點論文1篇，ESI高被引5篇。擔任湖南省中小航空發動機零部件增材制造工程技術研究中心副主任，《Metals》、《Advanced
Powder Materials》等期刊編委，中國機械工程學會增材制造技術分會委員。獲湖南省杰青、湖南省自然科學二等獎（排1）。
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