供稿人:黄胜；李涤尘 发布日期：2017-11-08
美国加州大学圣巴巴拉分校John H. Martin团队近日在Nature上发表论文称，通过在粉末表面添加纳米细化剂，采用选取激光熔化（SLM）方法，实现了高热裂敏感性的高强度铝合金（Al7075和Al6061）的增材制造，获得的合金试样的内部无裂纹缺陷，强度与锻造材料相当。该方法突破了金属增材制造材料的限制，可能实现各种合金的增材制造，有望推动金属增材制造的工业应用发展。
金属增材制造或3D打印，是航空航天，生物医学和汽车等多个行业潜在的颠覆性技术。逐层打印金属部件可提高设计自由度和制造灵活性，实现复杂的几何形状和产品定制，缩短上市时间，同时消除传统的规模经济约束。但目前只有AlSi10Mg，TiAl6V4，CoCr和Inconel 718等少数合金可以可靠地增材制造，绝大部分合金在增材制造过程中，因温度梯度存在，从熔池底部边界以柱状晶方式生长，凝固末期，枝晶间液相因凝固收缩和热收缩而产生孔洞和热裂纹（图1c），最终形成存在裂纹的柱状晶微观组织（图1e）。
通过在粉末表面添加晶格匹配的纳米颗粒（图1b），在熔池凝固过程中产生大量异质形核剂，高密度的低能势垒异质形核位于凝固前沿，降低了等轴晶生长所需的临界过冷度，合金将以等轴晶方式长大（图1d），凝固过程中细小的等轴晶将更好地适应收缩应变和抑制裂纹产生，最终形成无裂纹的细小等轴晶显微组织（图1f）。采用该方法可实现以前难以实现的无裂纹缺陷的高性能合金的增材制造，图1g，h为采用SLM获得的6061和7075铝合金样件。对添加细化剂的7075粉末、未添加细化剂的7075粉末和AlSi10Mg粉末的SLM样件进行了拉伸试验（图2），结果表明添加细化剂的7075粉末的SLM样件力学性能优异，与7075合金锻态相当（表1）。
图1 高强度铝合金选区激光熔化示意图a，传统7075粉末；b，携带纳米细化剂的7075粉末；c，传统金属的柱状晶凝固过程（裂纹易产生）；d，添加纳米细化剂金属的等轴晶凝固过程；e，传统金属的显微组织（反极图）；f，添加纳米细化剂金属的显微组织；g，3D打印的拓扑优化6061活塞。h，3D打印的7075 HRL标志。
图2 增材制造合金典型拉伸曲线
这种方法同样适用于其他高热裂敏感性合金，如不可焊接的镍合金，超合金和金属间化合物，可极大地扩展适用于增材制造的材料范围，加速了增材制造工艺的应用。
表1 合金性能比较
