综述：SLM制造铝合金的显微组织和性能（三）(2)

时间：2021-09-08 08:43 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

2.2 物理诱导力作用下的晶粒细化

在使用外力如超声波，剪切和电磁场在传统铸造中不添加化学晶粒细化剂而获得细化和均匀的微观结构方面已经进行了重要的研究。在铸造过程中，由于难以在不污染合金的情况下处理大量熔体，限制了外场的广泛适应性。然而，PBF中的熔池相对较小(宽度约为0.1-1.0毫米)，且总暴露时间较短。在焊接研究中，许多技术如高强度超声处理、能源振荡和能源脉冲已被用于细化微观结构和消除热裂纹。相比之下，使用铝、钛、镍、钢和镁合金在增材制造中进行的研究屈指可数。Zhang等人使用超声波研究了AlSi12，并注意到相对密度从95.4%增加到99.1%，晶粒尺寸从277.5μm减少到87.5μm，并且拉伸性能显著改善。Todaro等人研究了振动构建板(20kHz，30μm振幅)，并清楚地证明柱状晶粒被细小的等轴晶粒取代。虽然这两项研究都显示出了较好的的结果，但不能用这种方法来抑制构建，这是避免扭曲的必要条件。此外，超声或振动等物理场的应用在基于L-PBF的制造中可能存在问题。

因此，必须探索另一种途径，如研究将超声波探测器直接插入熔池(类似于电弧焊)的可行性，这样就可以夹住AM构建板。另一种可能的途径是热源的振荡，在焊接时它可以产生20Hz的频率和1–2mm的振幅。实验结果表明，该技术可以减小晶粒尺寸，增加熔池的均匀性，并抑制各种铝合金的热裂纹。

▲图16-1 超声对晶粒细化的影响示意图

2.3 通过改变扫描方法来细化颗粒

几项研究探索了L-PBF制造过程中的扫描方法。这些研究的动机最终是通过提高构建密度来减少孔隙和残余应力。然而，很少有实验工作表明扫描方法会影响铝合金的微观结构。在L-PBF处理中，可以通过操纵舱口间距和层厚度来调节晶体纹理和微观结构的演变，因为这些参数直接影响相邻轨道的部分重熔。这些凝固过程中的数字控制能够产生具有细小等轴晶粒的微观结构，而不会产生热裂纹。如Thijs等人通过改变凝固过程中的热梯度，用AlSi10Mg合金证明了这一概念。他们注意到扫描的角度或方向对L-PBF有很大影响，例如当层间扫描方向角度设置为90°时，纹理显著减少，沿构建方向出现弱立方体纹理。

但是，还需要对更多合金进行进一步的研究，并结合模拟，同时牢记大幅改变扫描方法的任何不利影响。此外，通过结合考虑G和R的空间变化和几何形状及扫描方法，深入了解PBF的微观结构进化也是非常必要的。值得一提的是，由于凝固生长方向与主要热流方向不一致，以及金属系统的其他复杂性，仅靠扫描方法可能无法控制凝固组织。

3. 用于增材制造的铝粉原料

与其他粉末冶金工艺不同，粉末原料特性对AM加工零件的最终质量起着关键作用。粉末大小、形状和分布是决定L-PBF适用性的最重要特征。这些可以直接影响粉末流动、堆积密度、熔池特性、表面粗糙度、缺陷、体积密度和机械性能。因此，必须具有一致的粉末特性，以确保最终构建的一致和可靠的性能。Tan等人对AM的粉末原料进行了深入的文献审查，涵盖了单个粉末特性及其对建造的影响。

制造铝金属粉末的主要途径是在惰性气体环境(如Ar、He和N)中进行气体雾化和等离子体雾化。可能最广泛使用的方法是铝的气体雾化，因为与等离子体相比，它更便宜。然而，关于等离子体雾化的报告描述了更高的球形度和尺寸均匀性，这最终有利于PBF。获得的球形粉末相对于原料粉末具有更好的流动性和激光吸收性。可以通过改变雾化条件和改进雾化技术来调节铝合金粉末的特性。

目前，最广泛可用的铝合金粉末原料是基于市售的铝合金，但Scalmalloy®等合金除外，Scalmalloy®是一种AM特定合金，可在市场上从指定供应商处获得。不幸的是，粉末原料通常很昂贵，而且种类不多，只有少数常见合金可以作为粉末使用，这种情况阻碍了铝合金在增材制造中的应用。一种可行的替代方法是混合这些市售粉末原料，以产生所需合金成分的最终产品。然而，组合物的不均匀性和由此产生的微观结构特征是不可取的。

3.1 粉末形态对AM的影响

在粉末冶金中，与其他粉末特性相比，粉末粒度分布对填充行为的影响最大。不同的粉末尺寸用于不同的PBF工艺。如基于激光的工艺推荐的粉末尺寸为15-45μm直径，而电子束工艺的推荐粉末尺寸为45-106μm。具有较宽粒经分布(PSD)和可接受数量的细颗粒的粉末等级通常会产生较高的堆积密度。PSD可以在雾化后的各个阶段发生变化，如在储存期间、L-PBF加工(扩散)期间和粉末回收期间，这明显会影响原料的性能。已经提出了许多研究与PSD相关的粉末体积数学模型，目的是增加堆积密度。

研究表明，当填充效率较高时，粗粉基质中的空隙数量普遍减少(图17)。添加细颗粒填充松散颗粒网络中的孔隙，从而提高填充效率。添加与颗粒间空隙大小相等的细颗粒后，堆积密度可以从74%增加到84%(图17(a))。加入第三种组分可以进一步减少任何空隙，因此可以实现95.7%的高堆积密度。Olakanmi等人研究了铝粉中的各种多模态混合物，在包含粗/中/细颗粒尺寸的三模态混合物中注意到，比例为5:2:1和75:20:5wt%，与尺寸为10-14μm的细颗粒尺寸相比，振实密度增加了3wt%。颗粒的球形度和形态很重要，因为这会影响粉末的堆积密度。

MUNIZ-Lerma等人研究了三种不同尺寸分布的AlSi7Mg粉末，并得出结论，由于表面能较高，细颗粒促进吸水和粉末结合，这最终与扩散和缺陷有关。然而，当窄PSD和大于48μm的颗粒使用时，吸水率降低，粉末结合力增加，粉末流动和密度增加。众所周知，PSD对激光-粉末相互作用也有显著影响。较大的颗粒需要更高的激光能量来诱导熔化，而较小的颗粒具有更大的表面积，有助于致密化动力学。通常，粉末床密度和零件密度之间似乎存在直接相关性，粉末具有更广泛的粒径范围，可提供更高的粉末床密度并在低激光能量强度下产生更高密度的零件。Aboulkhaira等人研究了具有两种不同形态的AlSi10Mg粉末(细长型与球形型)，并证明在相同条件下，与细长粉末(97.74%)相比，球形粉末可以实现更高的相对密度(99.6%)。然而，细长的粉末也能够产生高密度的构造，但需要仔细优化。这是构建具有一致性的高质量组件的关键挑战之一。

此外，当粉末被回收时，PSD和粉末球形度会发生变化。这是因为当一些粉末颗粒融合但不粘附在建造元件上时，会形成不规则的聚集体。这对于重复构建周期尤其成问题，其中PSD和球形度变化可能会干扰流动和填充性能。一种有效但耗时的措施是在循环之间筛分粉末。另一种铝粉(微米级)的流动性可以通过表面改性实现，如附着纳米颗粒(二氧化硅、二氧化钛和炭黑)或化学(甲基三氯硅烷)。

▲图17 (a)堆积密度和颗粒排列示意图(b)颗粒组成与堆积密度示意图

目前，针对铝合金，已有一些有限的研究，以确定(i)粉末特性曲线(尺寸、形状、分布、堆积密度、流变学)(ii)加工参数(激光输出、扫描速度、扫描方法和平台加热)(iii)建造质量(相对密度、缺陷类型、微观结构)(iv)产生的机械性能。此外，关注单层和多层粉末之间堆积变化的研究，以及了解粉末床的整体性能，将是重要的。揭示这些变量之间的关系，以及它们如何影响铸件的最终质量，将是改进粉末加工方法的重要一步。

3.2 污染对AM的影响
除了粉末形态外，粉末污染也是L-PBF中的一个潜在问题。铝合金粉末固有的物理性质带来了一些挑战。这些包括形成稳定和粘附的表面氧化层以及粉末的高反射率和热导性。尽管铝粉的制造和L-PBF工艺可以在受控的惰性条件下进行(O2≪0.15%)，但在铝表面形成氧化物是不可避免的，这是由热力学和氧化铝的钝化性质决定的。铝粉颗粒很容易通过吸附的气体、水分、有机物和其他仍然不可避免的夹杂物来产生污染。氧化作用通过在粉末表面形成氧化皮来阻碍零件固结，这会导致缺陷，如孔隙和裂纹，降低粉末流动性导致粉末堆积密度差，降低润湿性导致形成层之间的附着力差，熔池破碎成液滴导致球化效应并增加零件的表面粗糙度，损害整体机械性能。

Hu等人研究了不同氧含量的AlCu5MnCdVa合金，他们的研究强调了控制大气氧的重要性及其对机械性能的影响。对于铝合金，氧含量的增加形成了大量的氧化物，使元件变脆。这个问题可能很严重，特别是对于薄片或热裂敏感的合金，其中氧化物的形成更重要。另一种污染模式是由于粉末表面的水分吸附而形成氢氧化物，这通常发生在潮湿条件下。与在粉末表面固化的氧化层相比，吸附氢氧化物薄膜通常是硬而脆的，由于颗粒的团聚，破坏了粉末床内的颗粒流动。在升高的温度下水蒸气压的降低可以引发氢氧化物层的形成，最终在结晶过程中产生氧化物。氧化物的形成可以改变燃烧室的大气条件，例如在激光与吸收的水层接触期间氢原子的解离可以产生在熔体凝固过程中被截留的气体，从而导致熔池飞溅。干燥步骤可用于帮助去除粉末中的残留水分，据报道，这也可降低孔隙率并促进AlSi10Mg合金制造部件的相对密度>99%，这比没有干燥步骤时获得的密度更大，通过减少氧化物和氢氧化物形成的影响。

目前，尝试探索和了解不同粉末条件下污染严重程度的文献有限，需要进一步调查以建立良好的标准实践，以产生一致的AM构建，这是通过AM处理铝的瓶颈之一。一些标准已经发布用于AM行业，但仍然缺乏特定于铝合金的已知标准。

4. 结论
由于铝具有优异的强度重量比和耐腐蚀性，所以铝是仅次于钢的第二大金属。由于这些优势，加上其可制造性和可承受性，与其他材料如钛和复合材料相比，铝是航空航天和汽车应用中最具吸引力的材料之一。最近发表的关于AM与Al的作品反映了这一制造途径的机遇和挑战。在目前的文献中，近共晶的AlSiMg合金已经被深入研究，从材料原料到实际生活中的元件性能。然而，高强度铝合金的研究量仍然很少，因为在高冷却速率下合金凝固过程中存在热裂纹的挑战，正如在AM加工中所经历的那样。根据本综述所调查的文献，可以得出以下结论：

(1)AlSiMg合金可以很容易地通过AM进行加工，并且在优化的加工条件下可以达到几乎完全的相对密度。然而，由于凝固过程中对热裂纹敏感性较高，传统的锻造铝合金(2系、6系和7系)难以通过L-PBF进行加工。

(2)与传统的铸件相比，通过L-PBF生产的AlSiMg合金显示出更高的强度，这主要是由于在高冷却速率和热处理下的微观结构细化所致。在高冷却速率下，打印样品显示出比平衡值更高的溶质浓度，这需要比传统实践中通常使用的溶液热处理时间更短。

(3)所有铝合金都形成柱状初生铝晶粒，在构造方向上具有<001>织构。L-PBF的这种定向增长导致各向异性特性。采用不同的扫描方法，如改变舱口样式和轮廓，会显著改变纹理并降低各向异性。

(4)大多数锻造铝合金研究发现，由于熔池流动性的改善，硅的添加提高了合金的可打印性并抑制了热裂纹。

(5)添加微量的Sc和/或Zr可以显著提高合金的相对密度，产生良好的抗拉强度和延展性的结合，以及整体的可加工性。这些元素通过两种方式实现这一目的：(i)在凝固过程中形成成核颗粒(Al3Sc和Al3Zr)，细化初生铝晶粒并抑制热裂纹(ii)在时效过程中形成纳米析出物以提高合金的拉伸性能。AM特定的Scalmalloy®清楚地证明了这些元素在可锻合金中的优势。其他晶粒细化颗粒，如TiB2、Al3Ti和溶质，在抑制热裂纹和提高铝合金的拉伸性能方面也显示出很好的效果。

(6)铝的低吸收率和高热导率需要高能量输入来熔化铝粉末。这会导致高蒸气压元素(如Zn和Mg)蒸发。这些元素的损失会增加L-PBF处理样品内的化学不均匀性，并影响固溶硬化和沉淀硬化。

(7)粉末特性(如形态、堆积密度、表面化学、氧含量和氢氧化物)对流动性有显著的影响，诱发各种缺陷，最终导致相对密度低和机械性能差。

未来，需要更多的研究来克服在使用增材制造铝合金中发现的挑战。挑战既是科学的，也是技术的；如图18所示的鱼骨图突出显示了一些关键的问题。需要进行许多基础工作来将凝固科学与冶金工艺联系起来。因此，未来的研究应该关注许多领域。

▲图18 鱼骨图说明了金属增材制造中的关键科学和技术挑战。

目前，大多数高强度铝合金研究都集中在现成的商业合金上，这些合金专为完全不同的加工路线而设计。在PBF中，这些合金经历了快速和重复的热循环，这导致了常见缺陷的发生，如热裂纹、未熔合、合金元素蒸发损失、残余应力和不良的微观结构特征。为了利用PBF中快速凝固，迫切需要设计AM特定的高强度、高性能和高性价比的铝合金，利用AM的独特特性产生与传统铝合金相比优越的性能。一个例子是与重复加热相结合的高冷却速率，这允许高水平的沉淀和分散颗粒形成。这对于晶粒细化以及提高机械性能是有用的。必须通过理解几何-合金-加工-性能-表现关系来设计新合金，以满足制造和性能一致性方面的工业需求。

此外，从之前的所有研究中可以清楚地看出，为了在AM中获得高强度铝合金中的细小、等轴晶粒，必须具有有效的成核剂或晶粒细化剂孕育剂颗粒，无论是外部添加的，还是在构建过程中形成的高Q值的溶质元素。有必要找到商业上可行的途径，在粉末原料中以适当的量掺入和均匀分布这些颗粒和/或元素。未来的研究可以探索扫描方法、物理诱导力和化学孕育的影响，这可能为商业需求提供理想的微观结构和机械性能。

许多现有的铝增材制造挑战可以使用数值模拟、数字孪生和机器学习以及闭环监控系统来解决。经过深思熟虑的实验和模拟相结合可以显著减少测试中的试验和错误，最终使我们能够创建一个利于所有人的可靠的打印数据库。

需要对铝粉原料的作用进行深入研究，首先是提高具有合适形态的高质量粉末的生产量，以在PBF过程中实现最佳的粉末性能。在文献中，对粉末特性如何影响PBF加工样品的工艺条件和后续机械性能的了解是有限的。此外，同样重要的是，制定不同等级的粉末如何回收、处理和重复使用而不影响元件加工和性能的策略。

如果与供应链的两端(粉末制造商和最终用户)密切合作进行研究，将对铝增材制造研究非常有益，它将迅速将基础发展付诸实践，并应加强铝增材制造领域的知识。

(责任编辑：admin)

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