摻雜鋁合金激光選區(qū)熔化成形研究進(jìn)展

賈少澎， 祝 賀， 鄒田春*， 歐 堯

(1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司質(zhì)量適航安全部, 上海 200126；2.中國民航大學(xué)民航民用航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300)

增材制造(additive manufacturing, AM)技術(shù)是以離散-堆積思想為基礎(chǔ)的一種新型快速成形技術(shù)[1]。AM技術(shù)利用三維模型數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)僅用一臺(tái)設(shè)備的直接成形,與傳統(tǒng)加工方式相比,極大縮短了產(chǎn)品加工周期,降低了成本,已在航空航天、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。激光選區(qū)熔化成形(selective laser melting, SLM)是增材制造中最具代表性的成形技術(shù)之一,其原理為激光束沿特定路徑掃描預(yù)制粉末層,使其熔化、逐層堆疊,最終獲得高致密度的金屬零部件[3]。SLM技術(shù)有成形精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁件的精密成形,在制造輕量化復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-5]。

鋁合金材料具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及耐腐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn),是航空工業(yè)中最主要的結(jié)構(gòu)材料之一[6]。隨著航空產(chǎn)品對(duì)輕量化、一體化復(fù)雜鋁合金部件需求的增加,鋁合金SLM成形技術(shù)的應(yīng)用前景日趨廣闊[7]。鋁合金SLM成形技術(shù)研究主要集中于粉末制備、工藝優(yōu)化和熱處理等方面,目前AlSi10Mg和Al12Si鋁合金SLM成形較為成熟并已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用,其他鋁合金尚在研究階段[8-11]。

摻雜能有效提高鋁合金力學(xué)性能,因此摻雜鋁合金SLM成形成為近年中外研究的焦點(diǎn)。結(jié)合摻雜金屬元素和陶瓷顆粒鋁合金的研究現(xiàn)狀,綜述了SLM成形鋁合金的致密度、顯微組織和力學(xué)性能等方面的研究。

1 金屬元素?fù)诫s

金屬元素?fù)诫s是指在鋁合金中加入某些微量金屬元素改善其力學(xué)性能。目前常用的金屬元素有Zr和Sc兩種,其強(qiáng)化作用的主要機(jī)理為:Zr和Sc元素在SLM過程中形成了細(xì)小的Al3(Sc,Zr)顆粒,它們作為Al基體的異質(zhì)形核點(diǎn),起到了細(xì)化晶粒的作用,而分布在晶界處的Al3(Sc,Zr)還起到釘扎作用,穩(wěn)定晶界,抑制后續(xù)晶粒長(zhǎng)大,進(jìn)而提高鋁合金的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能[12]。

2011年,歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)的Schmidtke等[13]研究了摻雜0.66% Sc元素的Al-Mg合金(Scalmalloy?)SLM成形。研究發(fā)現(xiàn),Sc元素使鋁合金力學(xué)性能明顯提高,拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延展率分別達(dá)到530 MPa、520 MPa、14%,強(qiáng)度與高強(qiáng)鋁合金相當(dāng),且延展性更好。

瑞士增材制造創(chuàng)新中心的Spierings等[14-17]于2016年開展了一系列關(guān)于Scalmalloy?合金粉末的SLM成形研究,采用氣霧化的球形Scalmalloy?合金粉末,在最佳工藝參數(shù)下,成形了致密度大于99%的試樣。結(jié)果表明,由于Al3(Sc,Zr)的存在,顯微組織呈明顯的雙相分布,即熔池邊界的細(xì)晶區(qū)(fine grain, FG)及中央的粗晶區(qū)(coarser grain, CG),如圖1[14]所示。隨著掃描速度的提高,細(xì)晶區(qū)晶粒進(jìn)一步減小,粗晶區(qū)無明顯變化。Al3(Sc,Zr)的強(qiáng)化作用使鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別超過400 MPa和277 MPa,且各向異性較低。熱處理后,鋁合金力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高,抗拉強(qiáng)度超過500 MPa,延展率高于8.6%。

圖1 SLM成形Scalmalloy?合金SEM圖[14]Fig.1 SEM of SLMed Scalmalloy?[14]

2017年,澳大利亞莫納什大學(xué)的Shi等[18]對(duì)摻雜Sc和Zr元素的Al-Mg合金SLM成形進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了電導(dǎo)率與致密度成線性關(guān)系,提出通過電導(dǎo)率可以快速評(píng)價(jià)成形試樣的致密度；中南大學(xué)Li等[19]完成了添加Sc和Zr元素的Al-6.2Mg合金的SLM成形研究。結(jié)果表明,試樣致密度及表面質(zhì)量隨激光能量密度的增加而提高,在激光能量密度為139 J/mm3時(shí)獲得致密度為97%的試樣,其力學(xué)性能和抗腐蝕性能均較鑄件有所提高,硬度達(dá)到93 HV,抗壓強(qiáng)度達(dá)到390 MPa。2018年,南京航空航天大學(xué)的Zhang等[20]研究了工藝參數(shù)對(duì)Al-Mg-Sc-Zr合金力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn),較低的掃描速度能夠促進(jìn)Al3(Sc,Zr)的形成,使硬度提高至94 HV,摩擦系數(shù)和磨損率降低至0.61和1.74×104mm3/(N·m)。

張虎等[21]、Zhang等[22]、Nie等[23]開展了添加Zr元素的Al-Cu-Mg合金SLM成形研究,采用球磨法制備了Zr/Al-Cu-Mg粉末,并在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行SLM成形。研究發(fā)現(xiàn),Zr的添加有效抑制成形過程中熱裂紋的產(chǎn)生,并使致密度為99%時(shí)的最佳掃描速度提高了3倍,與未摻雜Zr元素的合金相比,拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯提高,達(dá)到451 MPa和446 MPa,但延展率降低至2.67%。

2 陶瓷顆粒摻雜

與金屬摻雜相似,陶瓷顆粒摻雜是指在鋁合金中加入少量的陶瓷顆粒,通過細(xì)晶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等機(jī)制以改善鋁合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能。目前主要采用原位反應(yīng)法和機(jī)械混合法制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金粉末。原位反應(yīng)法是通過原位反應(yīng)形成含有增強(qiáng)相的鑄態(tài)鋁合金,再通過氣霧化方法制備適用于SLM的合金粉末,顆粒分布均勻,界面結(jié)合良好。機(jī)械混合法主要是通過球磨技術(shù)制備的粉末,制造成本低。

南京航空航天大學(xué)的Gu等[24-25]于2014、2015年對(duì)摻雜TiC的AlSi10Mg SLM成形進(jìn)行了研究,采用球磨法制備了TiC/AlSi10Mg混合粉末,成形了致密度大于98%的試樣。研究發(fā)現(xiàn),在SLM成形過程中,形成了圖2[25]中的沿晶界分布的環(huán)狀結(jié)構(gòu)TiC增強(qiáng)相,抑制了鋁基體晶粒的長(zhǎng)大,同時(shí)強(qiáng)化了晶界。細(xì)晶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的共同作用,使鋁合金在保持延展性的同時(shí),提高了強(qiáng)度、硬度和耐磨性,延展率、拉伸強(qiáng)度、硬度、摩擦系數(shù)和磨損率分別為10.9%、486 MPa、188 HV、0.36和2.94×10-5mm3/(N·m)。

圖2 SLM成形TiC/AlSi10Mg中的環(huán)狀增強(qiáng)相[25]Fig.2 Ring-structure reinforcement in SLMed TiC/AlSi10Mg[25]

2015年,南京航空航天大學(xué)的Chang等[26]研究了SiC初始粒徑對(duì)SiC/AlSi10Mg粉末體系SLM成形影響,成形了原位自生Al4SiC4+SiC增強(qiáng)的AlSi10Mg試樣,致密度達(dá)到97%。研究發(fā)現(xiàn),SiC的添加提高了混合粉末的激光吸收率,隨著SiC顆粒粒徑減小,硬度和耐磨性能均有提高,硬度和磨損率分別達(dá)到218 HV和2.94×10-5mm3/(N·m)。這是由于細(xì)小的SiC顆粒有助于粉末充分熔化,提高熔池流動(dòng)性,使熔池鋪展更加均勻,致密度和顆粒分布均勻性得到提高。

南京航空航天大學(xué)的Dai等[27-28]于2016、2018年開展了摻雜AlN的AlSi10Mg SLM成形研究,制備了致密度為97%的AlN/AlSi10Mg納米復(fù)合材料,并采用有限體積方法(finite volume method,FVM)對(duì)SLM過程中熱對(duì)流、遷移行為和增強(qiáng)粒子分布狀態(tài)進(jìn)行了建模仿真。研究發(fā)現(xiàn),AlN作為異質(zhì)形核點(diǎn)促進(jìn)了晶粒細(xì)化,激光能量密度對(duì)致密度、AlN分布有顯著影響,進(jìn)而影響試樣耐磨性能,激光能量密度為420 J/mm3時(shí)磨損率最小,為3.4×10-4mm3/(N·m)。對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合良好,該模型可用于其他材料SLM成形過程模擬。

2017年,比利時(shí)魯汶大學(xué)的Li等[29]對(duì)原位自生納米TiB2顆粒增強(qiáng)的AlSi10Mg合金進(jìn)行了SLM的成形研究。結(jié)果表明,TiB2能夠提高鋁合金激光能量吸收率,改善鋁合金成形性能,在激光能量密度為95 J/mm3時(shí)成形致密度大于99%的試樣。TiB2/AlSi10Mg試樣晶粒尺寸約2 μm,較SLM成形Al-Si合金(約10 μm)明顯細(xì)化,拉伸強(qiáng)度由360 MPa提高到530 MPa。同年,章敏立等[34]、廉清等[31]采用混合鹽法和氣霧化技術(shù)制備了原位自生的TiB2/Al-7Si-0.5Mg-Cu復(fù)合粉末,開展了SLM成形TiB2/Al-Si復(fù)合材料的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),TiB2的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用使其力學(xué)性能較鑄件明顯提高,抗拉強(qiáng)度和延展率達(dá)到435 MPa和11.8%。

Zhou等[32]于2018年開展了SLM成形Al-15Si/TiC硬度及耐磨性能的研究。結(jié)果表明,分布于Al基體中的TiC顆?？梢苑€(wěn)定鋁合金顯微組織,降低熱處理對(duì)硬度的負(fù)面影響,最終獲得致密度97%、硬度為145 HV、摩擦系數(shù)為0.42及磨損率為2.75×10-5mm3/(N·m)的試樣。

3 其他材料摻雜

除金屬和陶瓷顆粒外,其他材料的摻雜也能起到強(qiáng)化鋁合金力學(xué)性能的作用。

美國加州大學(xué)的Martin等[33]于2017年通過靜電組裝技術(shù)制備了摻雜納米ZrH2顆粒的7075鋁合金粉末,對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的SLM成形進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),成形試樣晶粒明顯細(xì)化,且無裂紋,T6處理后,拉伸強(qiáng)度達(dá)到383～417 MPa、屈服強(qiáng)度為325～373 MPa、延展率為3.8%～5.4%。

2018年,中北大學(xué)的譚樂[34]開展了摻雜鍍鋁石墨烯的AlSi10Mg的SLM成形研究。試驗(yàn)采用有機(jī)鋁化學(xué)還原法和真空球磨法制備了鋁合金復(fù)合粉末,發(fā)現(xiàn)球料比為8∶1、球磨轉(zhuǎn)速為230 r/min、球磨時(shí)間為2 h時(shí)石墨烯分散良好。在激光功率為300 W時(shí),獲得了石墨烯分布均勻、成形質(zhì)量良好的試樣,顯微硬度達(dá)到169 HV,較AlSi10Mg高出40%。

同年,李明川等[35]、Jiang等[36]開展了摻雜碳納米管的AlSi10Mg SLM成形研究。采用甲基吡絡(luò)烷酮試劑超聲分散制備了CNTs/AlSi10Mg的復(fù)合粉末,發(fā)現(xiàn)當(dāng)CNTs含量為1.0%,掃描速度為1 300 mm/s時(shí),試樣致密度最高,達(dá)到98%。SLM成形過程中,大部分分布在晶界處的CNTs仍能保持原有結(jié)構(gòu),阻礙液相在凝固過程中的晶界遷移,促進(jìn)晶粒細(xì)化,使試樣顯微硬度和拉伸強(qiáng)度均有提高,達(dá)到143 HV和499 MPa。

4 結(jié)論與展望

隨著航空工業(yè)對(duì)鋁合金部件復(fù)雜度、輕量化要求的提高,鋁合金SLM成形技術(shù)受到更多關(guān)注?，F(xiàn)階段由于適用于SLM成形技術(shù)的鋁合金粉末種類少且成形試樣性能較差,難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

摻雜具有明顯提高鋁合金性能的作用而成為近年的研究重點(diǎn),多種摻雜鋁合金SLM成形已獲得了初步成功,目前研究主要集中于摻雜Sc、Zr元素的Al-Mg合金和Al-Cu-Mg合金,以及摻雜TiC和SiC等陶瓷顆粒的Al-Si合金和Al-Si-Mg合金。Sc、Zr元素主要改善鋁合金的成形性能,抑制熱裂紋的產(chǎn)生。陶瓷顆粒主要提高成形試樣的硬度和耐磨性能,部分陶瓷顆粒還能改善鋁合金粉末激光吸收率,使成形效率更高。目前對(duì)于摻雜材料在SLM過程中的反應(yīng)情況、強(qiáng)化機(jī)制以及摻雜物質(zhì)與鋁基體間的界面結(jié)合情況等影響成形試樣致密度和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素尚不完全清楚,是今后此領(lǐng)域研究的主要方向。