鋁合金增材制造技術(shù)在軍工領(lǐng)域的研究進(jìn)展

駱冬智,孫智富

(重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)兵器工業(yè)研究所， 重慶 402760)

自軍事裝備輕量化的提出，鋁合金因其儲(chǔ)量大，可塑性強(qiáng)和抗腐蝕性優(yōu)異，導(dǎo)熱導(dǎo)電性及高強(qiáng)度被大量應(yīng)用于軍事工業(yè)中[1-2]。幾乎所有鋁合金產(chǎn)品都被應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域，在陸軍作戰(zhàn)裝備里面，輕的鋁合金材料為戰(zhàn)車帶來了更大的機(jī)動(dòng)性。因此，鋁合金結(jié)合軍工發(fā)展的高強(qiáng)高韌研究成為重要課題[3]。

不同于傳統(tǒng)減材制造，美國ASTM將增材制造(AM)定義為從3D模型中將材料連接的過程，通常為逐層堆疊[4-5]。作為一種新技術(shù)，AM具有節(jié)省材料，縮短工時(shí)，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減重等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在對結(jié)構(gòu)，性能要求嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域[6-7]。以Al-Li合金為代表的航天飛行器及薄壁導(dǎo)彈殼體等結(jié)構(gòu)件突顯了鋁合金的優(yōu)異性能[8]。現(xiàn)階段，3D打印或增材制造技術(shù)可分為幾大類，見圖1所示。文章主要按照Al合金相關(guān)AM技術(shù)用于軍工領(lǐng)域的構(gòu)件的制造工藝及所得產(chǎn)品的性能結(jié)構(gòu)做出闡述并展望未來的發(fā)展趨勢。

1 基于激光源的增材制造技術(shù)

作為理想熱源，激光加熱被廣泛應(yīng)用在AM過程中，其種類可大致分為粉床系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)[10]。就工藝方法而言，激光增材制造技術(shù)主要有：選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)和激光直接熔化沉積技術(shù)(LCD)[10]。不同在于選區(qū)熔化技術(shù)是一層一層熔化金屬粉末，而熔化沉積技術(shù)是利用離散+堆積[11]的原理來實(shí)現(xiàn)材料的成形。

目前AM用Al合金仍舊有限，其一，Al合金成本低，AM加工的Al合金沒有價(jià)格優(yōu)勢[12]。其二，大多數(shù)Al合金焊接性能都不理想， Al合金的強(qiáng)化都?xì)w咎于析出相強(qiáng)化，而如Al-Zn系高強(qiáng)鋁合金由于含有不穩(wěn)定元素Zn，在AM過程中易導(dǎo)致飛濺，孔隙和熔池劇烈反應(yīng)而不適合AM工藝[13-14]。其三，真空環(huán)境下，Al合金中的如Mg，Li元素蒸氣壓完全異于Al元素，在AM過程中會(huì)首先蒸發(fā)出來[10]。其四，Al對于激光波長的反射率很高，同樣也制約著Al的AM過程[15]。其五，熔融Al的低流動(dòng)性導(dǎo)致成形件成分不均勻也制約著Al合金在AM上的運(yùn)用[14]。最后，Al合金的強(qiáng)氧化性生成的氧化膜會(huì)阻礙熔覆層與基體結(jié)合以及在AM過程中形成的氣孔等缺陷也影響了Al的大量使用[16-17]。除了以上缺點(diǎn)，Al合金還具有高導(dǎo)熱性，允許AM過程中快速成形材料，另外較高的導(dǎo)熱能使過程中降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生，降低對支撐結(jié)構(gòu)的依賴[10]。

圖1 金屬AM制造技術(shù)分類框圖[9]

目前增材制造用并應(yīng)用在軍工上的Al合金主要Al-Si系。更高強(qiáng)度的Al合金由Schmidtke[18]提出的AlMg4.5Sc0.66合金，Sc元素能形成Al3Sc析出相，強(qiáng)化并細(xì)化晶粒，除此之外，還有Al-Cu,6061,7050，7075和AlSi12等[19-24]。雖然目前Ti合金和復(fù)合材料的應(yīng)用導(dǎo)致Al合金在軍事裝備，特別是飛機(jī)材料中的Al合金所占比例下降，但是超高強(qiáng)Al仍舊在航空領(lǐng)域有著主要應(yīng)用。一般將抗拉強(qiáng)度在500 MPa以上的Al合金定義為高強(qiáng)度Al合金，主要為7系合金(Al-Zn-Mg)[25]。

7055的出現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)上翼蒙皮和機(jī)翼桁條的制造[26-29]，美國的Alcoa公司開發(fā)出的T77熱處理狀態(tài)，使得7150Al合金的性能在強(qiáng)度和塑性方面都有所提高，并廣泛用于C-17軍用運(yùn)輸機(jī)上[30-31]。AlMgSc系A(chǔ)l合金，作為7系合金的替代品，在飛機(jī)制造上運(yùn)用廣泛。ScalmalloyRP合金[32]是Schmidtke與Palm共同提出的由激光AM技術(shù)制造的一種雙晶粒組織合金：由高冷卻速度和Sc元素細(xì)化晶粒產(chǎn)生的100 nm～1 μm的等軸晶和2～5 μm的柱狀晶組成，組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ScalmalloyRP合金的掃描電鏡圖

左為組織結(jié)構(gòu)圖，右為左圖方框放大圖[32]Al-7Si-0.3Mg合金粉末也是常見AM常用材料，Chen等[33]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻速度從0.19 ℃/s提高到6.25 ℃/s時(shí)，初生α(Al)枝晶形核溫度，共晶反應(yīng)速度和固相線溫度會(huì)降低，導(dǎo)致α(Al)枝晶和共晶成分更大的過冷度。同時(shí)，次生枝晶臂間距對于冷卻速度十分敏感，當(dāng)冷卻速度提高到6.25 ℃/s時(shí)，次生枝晶臂的間距下降到20 μm，鐵相的平均長度也由28 μm降到了18μm，隨著冷卻速度的提高，初生枝晶體積分?jǐn)?shù)下降約5%，共晶硅減少，分支狀纖維組織增加。Simchi等[34]對Al-7Si-0.3Mg合金粉末在選區(qū)燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)5%體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒含量的增加會(huì)增大燒結(jié)的致密度，同時(shí)，SiC顆粒的添加會(huì)增加熔化的穩(wěn)定性，獲得更加連續(xù)的成形件表面質(zhì)量。最新的研究發(fā)現(xiàn)Al-5Si-1Cu-Mg合金粉末可以得到致密度高達(dá)99.7%的成形件[35]。

Martin等[36]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過納米強(qiáng)化后的7075Al合金粉末在熔化凝固后所形成的Al3Zr相為異質(zhì)形核提供了理想的場所，固相線前端大量的形核區(qū)為形成等軸結(jié)構(gòu)提供了條件，過程如圖3所示。

a 傳統(tǒng)7075粉末,b 納米強(qiáng)化后的粉末,c枝晶生長導(dǎo)致裂紋,d 納米顆粒導(dǎo)致枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)換,e 反極圖表征的傳統(tǒng)3D打印方法產(chǎn)生的裂紋,f 實(shí)驗(yàn)所得等軸晶避免熱裂紋產(chǎn)生[36]

圖3 7075鋁合金的選區(qū)激光熔化過程

Gu等[37]對2024Al合金沉積方向研究發(fā)現(xiàn)不同沉積方式會(huì)影響致密度，孔洞生成和裂紋。Gharbi等[38]研究了選區(qū)激光熔化2024合金(AM2024)與變形2024-T3合金的顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同于2024-T3樣品的Al2CuMg，AM2024中的第二相為Al2Cu，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)AM2024呈尺寸<1 μm的細(xì)小晶粒，擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。

自20世紀(jì)90年代以來，F(xiàn)/A-22戰(zhàn)機(jī)采用了7050和2124制造飛機(jī)框架，加強(qiáng)肋，腹板，飛機(jī)接頭等構(gòu)件，隨著Al合金的發(fā)展，最新F35戰(zhàn)機(jī)逐漸改用2524和7150兩種新型Al合金[39]。 2524-T3被認(rèn)為是未來戰(zhàn)機(jī)蒙皮的首選材料。對于2系A(chǔ)l合金的激光增材制造方法，Zhang等[40]發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化參數(shù)后SLM所得2系A(chǔ)l合金富銅相不均勻分布在Al基體上，且在熔池的邊緣地區(qū)逐漸粗化。拉伸結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為402 MPa，當(dāng)480 ℃下熱處理后，合金晶粒均勻化，如圖4(c)所示[41]，隨著熱處理固溶溫度的提高，抗拉強(qiáng)度提高了15%，延伸率提高了47%，因?yàn)镾相(Al2CuMg)的固溶強(qiáng)化效果。

圖4 激光選區(qū)燒結(jié)Al-Cu-Mg系合金掃描電子顯微組織[40-42]

Al合金在激光加熱冷卻過程中的熱應(yīng)力容易導(dǎo)致空洞，為了減少空洞，Nie[43]和Zhang[44]在制備2系合金時(shí)，添加2wt%Zr，所添加的Zr會(huì)導(dǎo)致形成更多的低熔點(diǎn)相，可回填凝固過程生成的Al3Zr相使得柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，見圖4(a),(b)和(d)。J?gle[45]發(fā)現(xiàn)，Zr的加入細(xì)化了晶粒，增加了晶界的體積，在強(qiáng)化材料的同時(shí)也抑制了晶間裂紋的生成，當(dāng)Zr增加，小角度晶界逐漸增大為大角度晶界，Zr/Al-Cu-Mg界面取向完美遵循隨機(jī)取向，減少了各向異性。研究還表明SLM制備的2系A(chǔ)l合金屈服強(qiáng)度可達(dá)446 MPa。在對不同的Cu含量的Al-Cu合金的SLM制備中發(fā)現(xiàn)，Cu的含量的不同導(dǎo)致了不均勻的結(jié)構(gòu)生成，如圖5所示，每種合金的熔池結(jié)構(gòu)都不一致，區(qū)分出高冷速，低冷速區(qū)及熱影響區(qū)[46]。其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示，研究表明Al-33Cu表現(xiàn)出超過1 000 MPa的壓縮強(qiáng)度，主要是因?yàn)锳l2Cu相所形成的納米共晶結(jié)構(gòu)對于材料的強(qiáng)化作用。

圖5 SLM制備的Al-xCu合金的熔化層結(jié)構(gòu)[46]

2 基于電子束源的增材制造技術(shù)

電子束增材制造技術(shù)(EBM)與激光增材制造技術(shù)類似，只是將發(fā)熱源改為電子束，應(yīng)用高能電子束對金屬粉末的加熱作用來熔化金屬從而自下而上的層層堆積，達(dá)到復(fù)雜形狀構(gòu)件的制備。此種方法較Al合金激光制造來說，需要一個(gè)額外的真空環(huán)境，以便電子束在真空中傳播，這樣可以大大降低鋁合金粉末在空氣中氧化，有利于鋁合金成形。目前，電子束增材制造主要集中在選區(qū)電子束熔化(selective electron beam melting，SEBM)和電子束熔絲制造(electron beam freeform fabrication，BEFF，BF3)上。

圖6 Al-xCu的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線[46]

瑞典的Arcam公司最早研制SEBM裝備，在隨后的十年多時(shí)間內(nèi)，陸續(xù)有美國MIT，德國奧格斯堡IWB中心和我國清華，西北有色金屬研究院，上交等高校研究所研制了自己的SEBM的設(shè)備。在SEBM過程中，常見的缺陷有：吹粉，球化等現(xiàn)象，和分層，變形，開裂氣孔等缺陷。

EBM制備的Al合金結(jié)構(gòu)類似于激光AM技術(shù)制備的樣品，不像激光會(huì)被Al大量反射，用電子束加熱Al合金粉末會(huì)大大降低反射[47]另外Al合金焊接性差，某些合金元素在熔化過程中易形成飛濺，汽化，而在真空環(huán)境下的EBM技術(shù)能擇優(yōu)汽化某些元素，從而改變產(chǎn)物的化學(xué)成分[48-49]。EBM所得到的結(jié)構(gòu)也與激光制造所得結(jié)構(gòu)類似，Brice[47]通過BF3獲得2139Al合金強(qiáng)化析出相Al2Cu(Ω相)，通過后續(xù)熱處理與變形2139比較得出EBM制備的2139合金時(shí)效后能達(dá)到形變2139的低位的硬度值。NASA中心Karen[50]研究了飛機(jī)框架用2219Al合金的結(jié)構(gòu)和性能，并與Al合金手冊中的性能對比，發(fā)現(xiàn)高的掃描速度能增大冷卻率，從而使得結(jié)構(gòu)更加均勻，晶粒更細(xì)，如圖7所示。其與2219合金手冊上的性能對比如圖7(E)，發(fā)現(xiàn)在幾種工藝參數(shù)下沉積態(tài)2219在2219合金退火態(tài)與固溶時(shí)效狀態(tài)的性能之間，之后的熱處理(T62)狀態(tài)下與手冊的性能一致[51]。

7系合金由于其超高強(qiáng)度被大量應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼骨架，桁條，起落架等制造。EBM制備Al合金能減少合金元素的汽化，EBM制備的RA-SC預(yù)警機(jī)的7075合金組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。 目前關(guān)于EBM技術(shù)，NASA，Lockheed Martin等研究所和公司針對鋁合金航空航天結(jié)構(gòu)件做了研究[53]，并完成了在F-22上零件的直接制造[54]。

圖7 選擇電子束熔化制備的2219Al合金的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[50-51]

3 基于電弧的增材制造技術(shù)

電弧填絲增材制造(Wire arc additive manufacturing， WAAM)作為最常用的電弧增材制造技術(shù)，其主要工藝為以電弧作為熱源通過不斷熔化填充絲材沿預(yù)定軌跡逐層堆積出金屬零件，是一種材料利用率高，設(shè)備成本低，沉積效率高的零件快速成形方法,此方法跟一般堆焊類似[55-58]。

圖8 EBM制備的7075合金組織結(jié)構(gòu)(10X)[52]

WAAM可制造較大型零件，但依舊存在：① 殘余應(yīng)力和焊接熱輸入的扭曲，② 成形件尺寸精度較低，③ 成形件表面尺寸差等缺點(diǎn)[58]。有研究表明[59-60]電弧類型對于鋁合金WAAM的制造及構(gòu)件組織結(jié)構(gòu)性能有影響：例如北航研發(fā)的一種新型電弧焊接，可用于高強(qiáng)鋁合金焊接，可細(xì)化焊縫組織，提高接頭性能[61]。孫等[62]研究了不同熱源對成形件組織性能影響，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部呈典型層狀結(jié)構(gòu)，各部位主要為等軸晶，HPVP-GTAW熱源較其他相比有益于提高構(gòu)件強(qiáng)度。Horgar等[63]應(yīng)用WAAM制造AA5183Al合金凸緣件，顯微結(jié)構(gòu)及性能結(jié)果表明采用此工藝能夠獲得性能合格的構(gòu)件，在后續(xù)參數(shù)優(yōu)化能大幅降低孔洞和熱裂。

目前用于航空工業(yè)和導(dǎo)彈制造的AA2024合金也大量采用電弧增材制造，但由于其力學(xué)性能接近鑄態(tài)而需要后續(xù)熱處理或者時(shí)效處理[64]。Qi等[65]研究了不同的固溶+自然時(shí)效溫度對于組織結(jié)構(gòu)及性能影響，發(fā)現(xiàn)固溶+自然時(shí)效能顯著提高2024性能，隨著固溶溫度的提高，第二相轉(zhuǎn)化成α-Al+θ共晶彌散相，對組織強(qiáng)化，表現(xiàn)為顯微硬度及抗拉拉伸強(qiáng)度逐漸增大，503 ℃后分別達(dá)到143HV，497 MPa，能達(dá)到使用性能，其顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能如圖9所示。

圖9 2024合金顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[65]

為了滿足軍工裝備高強(qiáng)耐磨耐腐蝕的要求，高性能Al合金的研發(fā)成為趨勢，Al-Li合金因其高強(qiáng)，耐熱，耐蝕，質(zhì)量輕而廣泛應(yīng)用于 飛機(jī)，核反應(yīng)堆，坦克穿甲彈，魚雷等兵器制造中[66]。熱處理之后主要的強(qiáng)化相有T1(Al2CuLi), δ′(Al3Li) 和θ′(Al2Cu)[67]等，用WAAM制備的Al-Li合金組織如圖10所示。圖10A顯示軋制組織的母材焊接接頭組織呈現(xiàn)等軸晶和枝晶狀，時(shí)效后趨于均勻分布。在晶界處T1強(qiáng)化相呈稀疏且粗大，時(shí)效后T1相逐漸增多，β′(Al3Zr)相粒子出現(xiàn)，在周圍晶界產(chǎn)生無析出區(qū)域(PFZ)，均勻分布的粒子對于晶界有很強(qiáng)的的釘扎作用，抑制再結(jié)晶粒的形核長大，提高強(qiáng)度和耐腐蝕性[67-68]。

圖10 WAAM制備Al-Li合金顯微結(jié)構(gòu)[67]

Al-Li合金的強(qiáng)韌化機(jī)理主要為析出和固溶強(qiáng)化，析出相δ′(Al3Li)與α-Al基體共格的亞穩(wěn)相，δ′在合金中彌散分布，對位錯(cuò)滑移起阻礙作用，位錯(cuò)切割δ′相產(chǎn)生的反相界面能，其次為δ′相與基體的內(nèi)摩擦力[69]。其δ′相與α-Al基體共格，不產(chǎn)生交滑移形成共面滑移帶，最后導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界堆積產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和屈服[70]，生成晶界裂紋或者產(chǎn)生的PFZ區(qū)較晶粒內(nèi)部軟，滑移產(chǎn)生的晶界位錯(cuò)和應(yīng)力集中發(fā)生早期變形，在之后的三叉晶界處產(chǎn)生微孔并沿PFZ擴(kuò)展至晶間斷裂[69-71]。

4 結(jié)論

Al合金的AM技術(shù)未來的研究還有很多的方向值得深入開展：1) 鋁合金合金化，隨著最近高熵合金的提出，多合金元素的協(xié)同作用來提高強(qiáng)度，耐磨性的高熵合金如AlCrCuSiTiZrN和AlCoCrCuFeNi等高熵合金可大幅提高硬度，耐磨性，耐蝕性可更多用于飛機(jī)和裝甲，艦船的制造。2) 耐熱，超高強(qiáng)度的Al合金的研制及強(qiáng)化機(jī)理研究，提升戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性要求戰(zhàn)機(jī)加速更快，由此帶來的氣動(dòng)加熱和過載問題更為突出[39]由此對于飛機(jī)蒙皮來說需要耐更高溫度的材料，過載要求強(qiáng)度更高的材料，因此，發(fā)展更高強(qiáng)度，耐熱性更佳的Al合金成為主題。3) 目前，大部分研究都集中在Al-Si系，Al-Cu系，及7075，6061上，未來將現(xiàn)有的Al合金更多的應(yīng)用在AM制備上，需要解決Al合金的焊接性及非平衡凝固過程導(dǎo)致的基體合金元素固溶局限性，使得AM制備的Al合金達(dá)到傳統(tǒng)制備的性能要求。4) 高殘余應(yīng)力與冶金學(xué)缺陷也不僅降低表面粗糙度和尺寸精度，還導(dǎo)致構(gòu)件的低性能。了解成形過程中缺陷產(chǎn)生的機(jī)理依舊欠缺，AM工藝也主要停留在改善工藝參數(shù)，基底預(yù)熱，熱源及掃描速度，方式等，計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的系統(tǒng)分析整個(gè)過程的研究也較為稀少。5)因?yàn)锳M的特點(diǎn)導(dǎo)致在層與層結(jié)合時(shí)表現(xiàn)出各向異性，未來對于AM之后再結(jié)合熱處理，時(shí)效等后加工工藝的應(yīng)用也應(yīng)成為趨勢，另外，現(xiàn)行研究都集中在硬度，拉伸等性能指標(biāo)，疲勞強(qiáng)度，斷裂等力學(xué)行為的研究也較為稀少。AM技術(shù)，作為一門跨學(xué)科的技術(shù)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制備工藝，后續(xù)性能表征的一體化的整體研究是極富有意義，特別是其加工的自由性，為未來軍備制造和發(fā)展提供了新的研究方向。