供稿人：尚岩、王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-06-25
SLM作为最有前景的增材制造技术之一，为复杂金属零部件的制造带来了巨大的机遇。铝合金因其比强度高、耐腐蚀性好、生产成本低等优点而被广泛应用于各工业领域。但由于SLM工艺固有的冷却速率快、温度梯度大等特点，现有牌号的铝合金在用SLM进行制备过程中常会出现晶粒粗大、热裂纹等问题，严重影响了制件的使用性能。
在传统的铝合金铸造过程中，掺入Ti元素是促进晶粒细化的常用方法。鉴于此，华中科技大学的研究人员基于裂纹敏感性指数和生长限制因子的热力学计算，开发了一种适用于SLM的具有精细等轴显微组织和高强度的无裂纹Ti改性的Al-2.25Cu-1.8Mg合金，并详细解释了Ti改性铝合金的合金成分设计、裂纹消除机制和显微组织演变过程。
图1所示为Ti改性的Al-Cu-Mg合金在SLM过程中的显微组织，可以明显看到，Al-Cu-Mg合金中伸长的Al枝晶在Ti改性后演变成等轴显微组织。图1（b）显示了高倍放大的TEM明场图像，其中α-Al晶胞的尺寸约为1-2 µm，析出物既存在于晶粒内部，也存在于晶界处。
图1 SLM加工Al-Cu-Mg合金的显微组织(a)横截面SEM显微照片; (b)网络结构的TEM明场图像
图2（a）显示了Al-Cu-Mg合金在SLM过程中的织构粗晶粒结构，这是由于熔体过热以及缺乏形核条件造成的；图2（b）所示为Ti改性的Al-Cu-Mg合金在SLM过程中的精细均匀等轴显微组织；图2（c）所示为Ti元素的添加对晶粒细化的影响，其中Al-Cu-Mg合金的平均晶粒尺寸（6.64 µm）是Ti/Al-Cu-Mg合金（1.64 µm）的近4倍。
图2 SLM制造的(a)Al-Cu-Mg和(b)Ti/Al-Cu-Mg样品的EBSD侧视取向图; (c)粒度分布图
此外，研究人员还对两种合金进行了力学性能测试，试验结果表明， Ti改性的Al-Cu-Mg合金零件具有426.4 ± 6.4 MPa的抗拉强度，293.2 ± 7.4 MPa的屈服强度和9.1 ± 0.7%的断裂伸长率，而由于热裂纹的存在，未经改性的Al-Cu-Mg合金零件的抗拉强度仅为173.2 ± 20.3 MPa，断裂伸长率小于2%。