激光粉末床熔融技術(shù)成形鋁合金缺陷研究 總結(jié)：

摘要: 在過去二十年中，增材制造工藝已廣泛應用于許多工業(yè)領(lǐng)域的復雜形狀部件制造，其主要應用領(lǐng)域之一是航空航天業(yè)。激光粉末床熔融技術(shù)成形鋁合金因其具有極高的強度–重量比以及出色的可加工性，在該領(lǐng)域廣泛使用。然而，增材制造工藝對高強鋁合金的適用性仍受到缺陷的限制。打印過程中鋁合金形成的缺陷主要有球化、氣孔、表面質(zhì)量差、裂紋、幾何變形等，這些缺陷嚴重影響了鋁合金組織結(jié)構(gòu)的均勻性與完整性，進而影響其綜合力學性能。本文概括了粉末床熔融技術(shù)打印鋁合金過程中缺陷形成的原因及影響。

綱要：

此外，LPBF技術(shù)特有的快速熔融冷卻和反應重熔，極易使鋁合金成形件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應力。1955年，美國Battelle研究所 [1] 研發(fā)的熱等靜壓(HIP)技術(shù)經(jīng)不斷優(yōu)化后，有效消除了LPBF成形鋁合金所產(chǎn)生的殘余應力，并改變?nèi)毕菥植康膸缀涡螤睿瑥亩娱L了疲勞壽命；2011年，德國埃爾朗根–紐倫堡大學 [2] 研究采用LPBF技術(shù)對高強鋁合金和自主開發(fā)的Al-Cu、Al-Zn粉體系合金成形的可行性，很有希望用于多層加工。以上研究表明，開發(fā)有效的加工技術(shù)、采用后熱處理工藝或拓寬加工工藝窗口等在一定程度上可有效改善、避免LPBF成形鋁合金球化、裂紋、孔隙、表面質(zhì)量、幾何變形等缺陷的形成，獲得高度致密的鋁合金，并優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)提升其強度–塑性綜合性能。Figure 1. Spheroidization and satellite ball defects in AlSi10Mg at a scanning speed of 750 mm/s圖1. 掃描速度為750 mm/s時AlSi10Mg中的球化和衛(wèi)星球缺陷具體地，當所采用的激光工藝參數(shù)不足以提供穿過粉層、熔化粉末的能量時，熔池底部周圍仍存在松散的粉末顆粒，對熔池幾乎沒有約束力，熔池的形狀僅有氣液表面張力決定，熔滴會迅速收卷球化，因激光與粉層作用過程中激起的煙塵顆粒掉落至凝固區(qū)域附近，留在熔道或?qū)娱g；或因激光加工參數(shù)不當引起的熔融不完全，導致熔道出現(xiàn)斷裂、不規(guī)則，甚至出現(xiàn)扭曲，形成球化的金屬液滴 [7]。另外，根據(jù)吉布斯自由能能量最低原理，當金屬凝固緩慢時，長期處于液態(tài)的合金形成球形以降低表面張力。此外，還有一種高強度3D打印鍛造鋁合金材料采用了添加鋯基成核劑的方式實現(xiàn)晶粒細化、消除裂紋。一般，形成的氣孔的直徑小于5 μm，并且是隨機分布的，這使得它們在后續(xù)工藝中很難被消除，如圖3(b)所示。2.4. 表面質(zhì)量缺陷隨著LPBF技術(shù)的發(fā)展，可打印材料的種類越來越豐富，構(gòu)件的力學性能也相應得到了很大地提升。綜上，在受微合金化元素(Mn、Sc、Zr)強化啟發(fā)的同時，通過拓寬激光加工工藝窗口及應用后熱處理工藝制度，可有效消除了孔隙、裂紋等缺陷，成功獲得高度致密，且兼具強度–塑性協(xié)調(diào)提升的LPBF成形高強鋁合金。2021年科技部公布的“十四五”國家重點研發(fā)計劃中，其中，特別包含增材制造技術(shù)先進鋁合金高效加工及綜合性能的研究內(nèi)容。

內(nèi)容：

1. 前言鋁合金因具有質(zhì)量輕、強度高、導熱及良好的耐腐蝕性能等優(yōu)異特點，已發(fā)展成為應用結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料之一，在航空航天、機械制造和汽車船舶等領(lǐng)域具有廣泛的研究與應用價值

但隨著產(chǎn)品質(zhì)量不斷優(yōu)化，對復雜精密結(jié)構(gòu)鋁合金的加工有了更高的要求，不僅要求其制備快速高效，同時對其力學性能的響應能力也有一定的要求

目前，鋁合金的激光粉末床熔融技術(shù)(LPBF)成形面臨著巨大挑戰(zhàn)：一方面，鋁合金因具有較高的熱導率、反射率和較低的激光吸收率(16.7%)，在激光粉末床熔融成形過程中，極易造成激光能量沿著基板傳遞消耗，粉末不能被完全熔化，在固液轉(zhuǎn)變過程中成形件內(nèi)部易出現(xiàn)明顯的收縮變形，并積聚較大的熱應力，從而造成鋁合金的變形，甚至開裂；另一方面，在成形過程中，能量的快速傳遞導致熔池溫度降低，使熔體粘度增大、流動性降低，難以有效潤濕基體材料，致使鋁合金成形件產(chǎn)生球化效應及內(nèi)部孔隙、熱裂紋等缺陷

此外，LPBF技術(shù)特有的快速熔融冷卻和反應重熔，極易使鋁合金成形件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應力

近年來，針對鋁合金在激光粉末床熔融成形加工時產(chǎn)生的缺陷，國內(nèi)外研究學者持續(xù)開展了廣泛的研究工作

1955年，美國Battelle研究所 [1] 研發(fā)的熱等靜壓(HIP)技術(shù)經(jīng)不斷優(yōu)化后，有效消除了LPBF成形鋁合金所產(chǎn)生的殘余應力，并改變?nèi)毕菥植康膸缀涡螤?，從而延長了疲勞壽命；2011年，德國埃爾朗根–紐倫堡大學 [2] 研究采用LPBF技術(shù)對高強鋁合金和自主開發(fā)的Al-Cu、Al-Zn粉體系合金成形的可行性，很有希望用于多層加工

2014年，中國地質(zhì)大學王小軍博士 [3] 對選擇性激光熔化的工藝參數(shù)與性能進行了研究，獲得 LPBF成形Al-Si合金優(yōu)化的工藝參數(shù)：激光能量為200 W；激光掃描速率為375 mm/s至1125 mm/s；激光掃描間距為0.15 mm；激光停留時間為80 μs；鋪粉層厚為50 μm；且在整個打印過程中以保護氣氛，Ar或N2進行保護，同時，在較優(yōu)工藝參數(shù)下制得的含有不同Si含量的LPBF成形Al-Si合金的斷裂強度(368 MPa)提高了22.7%，屈服強度(224 MPa)是鑄造鋁合金的1.5倍，斷裂韌性(4.8%)也提高了1倍

2014年，德國 Komplexe Materialien研究所和中國哈爾濱工業(yè)大學 [4] 重點研究了熱處理工藝對LPBF成形Al-20Si合金試樣的顯微組織及力學性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al-20Si合金的極限抗拉強度從506 MPa降低到252 MPa，而延伸率則從1.6%增大到8.7%

以上研究表明，開發(fā)有效的加工技術(shù)、采用后熱處理工藝或拓寬加工工藝窗口等在一定程度上可有效改善、避免LPBF成形鋁合金球化、裂紋、孔隙、表面質(zhì)量、幾何變形等缺陷的形成，獲得高度致密的鋁合金，并優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)提升其強度–塑性綜合性能

2. LPBF成形鋁合金的缺陷2.1. 球化球化現(xiàn)象主要是在打印加工過程中，由于粉末之間較差的潤濕性和液滴飛濺造成的 [5]

當有足夠的熔化能量后，基層或已凝固層表面產(chǎn)生新的熔化，進入熔池的粉末依靠重力作用向下流動，熔入新熔化的熔體中，形成牢固的冶金結(jié)合，對熔滴的卷曲產(chǎn)生阻力，提高層間界面的潤濕性

在LPBF成形AlSi10Mg合金過程中，過大或極小的激光線性輸入能量均會導致球化的產(chǎn)生，氧化夾雜的存在也容易形成球化現(xiàn)象，同時，過低的溫度也會導致熔體的粘度過高、流動性差，不利于金屬液的鋪展，容易形成球化現(xiàn)象 [6] (

圖1)



Figure 1. Spheroidization and satellite ball defects in AlSi10Mg at a scanning speed of 750 mm/s

圖1. 掃描速度為750 mm/s時AlSi10Mg中的球化和衛(wèi)星球缺陷具體地，當所采用的激光工藝參數(shù)不足以提供穿過粉層、熔化粉末的能量時，熔池底部周圍仍存在松散的粉末顆粒，對熔池幾乎沒有約束力，熔池的形狀僅有氣液表面張力決定，熔滴會迅速收卷球化，因激光與粉層作用過程中激起的煙塵顆粒掉落至凝固區(qū)域附近，留在熔道或?qū)娱g；或因激光加工參數(shù)不當引起的熔融不完全，導致熔道出現(xiàn)斷裂、不規(guī)則，甚至出現(xiàn)扭曲，形成球化的金屬液滴 [7]

另外，根據(jù)吉布斯自由能能量最低原理，當金屬凝固緩慢時，長期處于液態(tài)的合金形成球形以降低表面張力

球化現(xiàn)象不僅使當前加工層的粗糙度增大，呈現(xiàn)凹凸不平的形貌特征，導致下一層鋪粉的均勻度下降，影響下一層加工；而且，球化會部分造成合金內(nèi)部的間隙，當隨后加工層的液相無法填補這些間隙時，凝固后的成形件內(nèi)部容易留下裂紋或孔隙缺陷

現(xiàn)國內(nèi)有研究團隊，采用自主研制的金屬增材制造，針對不同的鋁合金材料(如7050、7055、7075等鋁合金)，制備出具有晶粒細小(平均粒徑5~20 μm)、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析，具有半固態(tài)加工所要求的等軸晶粒的組織特征，在設(shè)備和工藝上保證制備的坯體組織和成分的均勻性，為半固態(tài)加工準備具有優(yōu)異組織和性能的原材料 [8]

特別是針對7xxx系鋁合金超高強、高韌材料的工業(yè)化生產(chǎn)展開的研究，通過對增材制造材料在后續(xù)的成型工藝的研究，探索優(yōu)化的工藝，采用中頻電源進行加熱，在加熱過程中嚴格控制加熱溫度和保溫時間，以實現(xiàn)產(chǎn)品性能的最優(yōu)化

另外，通過熱擠壓成管或型材過程中的擠壓溫度、擠壓比、擠壓速率等工藝參數(shù)對薄壁管材的成型性以及對產(chǎn)品組織和性能的影響，探索出了一條優(yōu)化的工藝，達到批量生產(chǎn)的目的

實現(xiàn)了7系鋁合的復雜薄壁零件的批量生產(chǎn)，性能指標達到或超過美國現(xiàn)有7075/7055鋁合金材料水平的高性能船用、核反應堆重要耐高壓、輕質(zhì)薄壁管件和板材，可以從根本上解決當前我國對此種先進鋁合金的迫切需求，優(yōu)化新型鋁合金的制備技術(shù)和工藝、材料熱處理和熱加工工藝，其性能穩(wěn)定，產(chǎn)品性能達到或超過國外同類產(chǎn)品的先進水平

2.2. 裂紋在LPBF成形過程中，裂紋的形成與溫度分布、殘余應力及熔合不良有關(guān)

殘余應力形成的裂紋又可以分為凝固裂紋和液化裂紋，這類裂紋與材料有關(guān)

凝固裂紋是由于熔池與凝固金屬之間存在較大的溫度梯度，導致熔池產(chǎn)生較大形變

然而，液體的流動性不足，不能補充熔池產(chǎn)生的形變(

圖2(a))；液化裂紋出現(xiàn)在部分熔化區(qū)(

圖2(b))，它與液化范圍、晶粒結(jié)構(gòu)、熱延伸率、金屬的收縮和約束有關(guān)

此外，熔合不良形成的欠熔合也是LPBF構(gòu)件常見的一類裂紋，它對LPBF構(gòu)件的力學行為和疲勞壽命有致命影響

欠熔合裂紋多出現(xiàn)在相鄰的掃描熔道之間或者沉積層之間，主要是金屬粉末不完全熔化造成的，裂紋嚴重時還可能導致分層缺陷 [9]



Figure 2. Cracks in LPBF printed aluminum alloy parts

圖2. LPBF打印鋁合金零件中的裂紋裂紋對LPBF構(gòu)件有致命性的影響，減少LPBF構(gòu)件裂紋缺陷是學術(shù)界和工業(yè)界面臨的重要挑戰(zhàn)

近年來，合金化與調(diào)整LPBF工藝參數(shù)是改善LPBF成形鋁合金微裂紋的兩種有效方法

2006年，Hu等人 [10] 建立了2024鋁合金和7075鋁合金的激光–電弧復合焊焊接過程的有限元熱力分析模型，得到了焊件上不同時刻的溫度分布和縱向應力分布，并分析了焊接過程中橫向裂紋的形成原因

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過降低焊速，向熔合區(qū)適當添加燒損元素可以改變?nèi)酆蠀^(qū)成分，同時可增加附加熱源輸入等措施來避免橫向裂紋的產(chǎn)生

此外，還有一種高強度3D打印鍛造鋁合金材料采用了添加鋯基成核劑的方式實現(xiàn)晶粒細化、消除裂紋

該材料為HRL實驗室所開發(fā)的3D打印用高強度7A77.60L鋁粉，已正式投向市場

HRL實驗室選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中

成型后的材料無裂紋、等軸(即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等)，實現(xiàn)了細晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當?shù)牟牧蠌姸?，其平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8% [11]

2.3. 孔隙孔隙的形成是受惰性氣體的析出、匙孔效應和“空心粉”等因素的影響，它的存在對樣品的致密度有很大的影響

在打印過程中，因不同打印參數(shù)的選擇，在低能量密度、高掃描速度下會形成鎖眼孔 [12]，在高能量密度、低掃描速度下則形成冶金孔 [13]

匙孔是一種典型的冶金孔，匙孔一般形成于LPBF成型件內(nèi)部，具有光滑、圓形或接近圓形的邊緣

在熔池規(guī)格一定的情況下，熔池中底層的部分粉末因過低的激光能量輸入而不能被完全熔化，未熔化的部分在拋光后表現(xiàn)為形狀不規(guī)則且尺寸較大的匙孔孔隙

匙孔孔隙以近似的平行條狀分布 [14]，如

圖3(a)所示



Figure 3. (a) distribution of keyhole morphology; (b) Pores in AlSi12Mg samples were obtained by CT scanning

圖3. (a) 匙孔形態(tài)分布

圖；(b) CT掃描得到AlSi12Mg樣品中的氣孔氣孔的形成一般分為兩種情況：一是由于激光加工鋁合金通常是在惰性氣體保護的環(huán)境下進行的，合金粉末之間存在孔隙，其中充滿了惰性氣體，所以，在實際打印過程中，氣體就會溶解在熔池中，但由于熔池冷卻速度極快，惰性氣體未及時逸出則留在固體中，形成了氣孔

二是由于粉末中含有部分低熔點的物質(zhì)，例如，Al-Mg合金中的Mg元素，在高溫打印過程中極易氣化，產(chǎn)生的氣體也難以在冷卻之前從熔池中逸出，便形成了氣孔

一般，形成的氣孔的直徑小于5 μm，并且是隨機分布的，這使得它們在后續(xù)工藝中很難被消除，如

圖3(b)所示

對于保護氣體的影響，Han等人 [15] 利用數(shù)值模擬的方法研究了保護氣體對熔池動力學、蒸發(fā)物質(zhì)速度場和表面形貌的影響

研究發(fā)現(xiàn)，Ar對氣體束縛作用更小，使熔池保持穩(wěn)定，更適合作為打印過程的保護氣體

而對于打印過程中元素氣化的現(xiàn)象，只能通過調(diào)整工藝參數(shù)來優(yōu)化

2.4. 表面質(zhì)量缺陷隨著LPBF技術(shù)的發(fā)展，可打印材料的種類越來越豐富，構(gòu)件的力學性能也相應得到了很大地提升

然而，相對較差的表面質(zhì)量仍然是限制LPBF成形鋁合金發(fā)展與工業(yè)應用的主要阻礙之一

中間層的表面粗糙度會影響下一層的鋪粉質(zhì)量，導致內(nèi)部缺陷產(chǎn)生 [16]

此外，成形面的表面粗糙度會嚴重影響構(gòu)件的疲勞性能，因此，有必要正確評估LPBF成形材料表面粗糙度，并系統(tǒng)收集相應工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫

研究發(fā)現(xiàn)，表面質(zhì)量與熔池的流動行為密切相關(guān)，通過調(diào)控激光功率、掃描速度和粉層厚度等工藝參數(shù)可以有效的改善表面質(zhì)量

在實際生產(chǎn)應用中，LPBF成形件惡化的表面質(zhì)量不僅影響美觀，還會導致因表面裂紋產(chǎn)生的過早失效，需要經(jīng)過后加工處理，包括噴砂、打磨、表面機加工等，但這將增加生產(chǎn)時長，導致效率低下

因此，獲得優(yōu)化的表面質(zhì)量對LPBF鋁合金產(chǎn)業(yè)化應用是至關(guān)重要的

因此，需深入理解LPBF的物理過程，對表面缺陷類型及其產(chǎn)生過程進行深入研究，探索新方法以提升構(gòu)件的表面質(zhì)量 [6]

2.5. 幾何變形在LPBF過程中，鋁合金由于構(gòu)件幾何特征差異等原因會產(chǎn)生不同程度的幾何缺陷

激光加工過程中的快速熔化和快速凝固等特征會使熔池中產(chǎn)生很高的冷卻速率以及溫度梯度，相應地，激光熱源加熱也會不均勻，導致在熔池的中心和邊界會產(chǎn)生不同程度的熱膨脹和收縮變形 [17]

另外，連續(xù)的且不均勻的一系列復雜的物理和化學反應會導致了凝固組織產(chǎn)生熱脹冷縮的效應，在LPBF制造零件結(jié)束后，會產(chǎn)生較高的殘余應力(圖4)

具體地，在LPBF樣品打印過程中，靠近底板的下層溫度開始下降，隨著新增加的打印層的凝固收縮，會使底層被壓縮，在底層樣品處表現(xiàn)為壓應力

隨著打印層厚的增加，熱量在形成層中累積，從而降低了零件的溫度梯度，在頂層表現(xiàn)為拉應力

所以，較高的殘余應力通常會引發(fā)LPBF零件的幾何變形，最終在零件中引起幾何尺寸上的偏差 [18]

Figure 4. Thermal stress field around molten pool under finite element analysis method

圖4. 有限元分析法下熔池周圍熱應力場關(guān)于解決幾何變形缺陷的方法，首先，可以在打印過程中將基板加熱，減少或完全消除由殘余應力引起的變形；其次，HIP處理可以消除殘余應力和改變?nèi)毕菥植康膸缀涡螤?，從而最小化應力集中點，達到延長疲勞壽命的作用

特別地，在研究熱處理對7075鋁合金組織結(jié)構(gòu)和疲勞性能的影響中發(fā)現(xiàn)，延長時效時間，選用合理的熱處理后，鋁合金的抗拉強度和屈服強度均有所提高 [19]，發(fā)生應變硬化，減少殘余應力，改善對材料的幾何形狀的影響

3. 總結(jié)及展望到目前為止，針對如何高效降低鋁合金在粉末床熔融成形過程中易氧化、球化及開裂，形成微觀非平衡組織等冶金缺陷問題，國內(nèi)外研究學者已經(jīng)開展了大量的研究工作

Jia等人 [20] 采用LPBF技術(shù)成功打印了Al-Mn-Sc合金，通過添加高含量Mn (4.52 wt%)獲得高強度鋁合金，其屈服強度達到570 MPa，致密度99.5%

中南大學李瑞迪等人 [21] 通過LPBF技術(shù)，添加微合金化元素Sc和Zr開發(fā)了一種新型鋁合金Al-Mg-Si-Mn-Sc-Zr，研究發(fā)現(xiàn)鋁合金的顯微組織得到了明顯細化，主要由亞微米細胞晶組成，其中有納米Al3(Sc, Zr)原位析出和Al-Mg2Si共晶形成，力學性能也得到了提高，抗拉強度為497 MPa，伸長率為11%

該合金經(jīng)熱處理后，試樣的抗拉強度可進一步提高為550 MPa，伸長率在8%~17%之間

綜上，在受微合金化元素(Mn、Sc、Zr)強化啟發(fā)的同時，通過拓寬激光加工工藝窗口及應用后熱處理工藝制度，可有效消除了孔隙、裂紋等缺陷，成功獲得高度致密，且兼具強度–塑性協(xié)調(diào)提升的LPBF成形高強鋁合金

近年來，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，世界各個國家對增材制造技術(shù)的關(guān)注與研究倍增，我國政府對3D打印技術(shù)研發(fā)的支持力度也不斷加強，先后推出十幾項關(guān)于3D打印的政策

2021年科技部公布的“十四五”國家重點研發(fā)計劃中，其中，特別包含增材制造技術(shù)先進鋁合金高效加工及綜合性能的研究內(nèi)容

相信，在通過增材制造技術(shù)不斷開發(fā)新型高強鋁合金的研究中，粉末床熔融技術(shù)制備的高強度鋁合金能滿足其在航空領(lǐng)域、汽車、醫(yī)藥等多行業(yè)領(lǐng)域?qū)ο冗M鋁合金部件制造的要求，并廣泛應用

基金項目天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助(202113898013)

NOTES*通訊作者

參考文獻

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