本文研究了高強(qiáng)度鋁合金增材制造面臨的挑戰(zhàn)和混合增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀。本文為第二部分。

3.增材制造高強(qiáng)度鋁合金的局限性與缺陷

有幾個因素限制了高強(qiáng)度鋁合金的AM加工性能，并限制了高強(qiáng)度鋁合金航空航天部件采用該技術(shù)。主要原因是AM加工過程中出現(xiàn)的冶金表面缺陷、資格認(rèn)證（Q&C）程序和全球公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的不足以及這些合金的測試和驗證的困難。此外，目前只有極少數(shù)鋁合金可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)腁Med，而5500多種可用合金中的絕大多數(shù)不能進(jìn)行AMed，這是因為產(chǎn)生了顯示相對較大柱狀晶粒的不良微觀結(jié)構(gòu)。

特別是，2xxx和7xxx系列合金很難通過AM進(jìn)行加工，因為AM加工過程中發(fā)生的熱力學(xué)循環(huán)會導(dǎo)致凝固相關(guān)問題。這些合金需要對其化學(xué)成分進(jìn)行修改，以克服這一問題。在AMed 2xxx和7xxx高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品中觀察到各種類型的缺陷。為了消除或避免缺陷并克服加工困難，人們對這些合金的工藝開發(fā)非常感興趣。本節(jié)首先回顧了限制高強(qiáng)度鋁合金AM加工性能的主要因素，以及采用AM工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金航空航天部件的情況。然后，回顧了航空航天高強(qiáng)度鋁合金AM中的主要缺陷類型，最后提出了減少或消除這些缺陷的方法。

3．1. 限制

為什么AM工藝沒有更大程度上用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件的高強(qiáng)度鋁合金航空工業(yè)有幾個原因。AM工藝受到部件尺寸和生產(chǎn)速度的限制，其生產(chǎn)速度約為40 mm3/h，因此在大型航空部件的生產(chǎn)中還沒有競爭力。例如，由AM工藝生產(chǎn)的最大的航空零件重約750公斤，長4.7米，寬1.7米，高0.5米。該部件旨在作為AM在下一代波音777x飛機(jī)部件生產(chǎn)中應(yīng)用的示范。

然而，將該部件的長度(5.3米)與波音747的翼展(64.3米)進(jìn)行比較，可以看出需要縮小的生產(chǎn)尺寸差距。航空航天的兩個最關(guān)鍵的優(yōu)先事項是安全保證和風(fēng)險管理，這要求航空航天部件的高精度和一致性。目前只有少數(shù)現(xiàn)有的金屬調(diào)幅工藝能夠生產(chǎn)尺寸公差為30-40 μm的零件，如圖7所示。然而，航空航天公司要求的零件尺寸公差一般小于10 μm。因此，航天零件的尺寸精度并不是每次都能達(dá)到所要求的尺寸精度，為了達(dá)到所要求的尺寸而對多余的零件進(jìn)行加工會增加制造工序和成本。

圖7 在某些調(diào)幅過程中可達(dá)到的最大尺寸精度。

隨著航空航天零部件臨界水平的提高，Q&C要求也隨之增加，即對發(fā)動機(jī)、螺旋槳、渦輪葉片等任務(wù)關(guān)鍵部件具有重要意義。由于缺乏Q&C以及在對AMed鋁合金構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械測試和驗證時存在的局限性，阻礙了對這些構(gòu)件采用AM工藝。在航空航天工業(yè)中應(yīng)用AM的Q&C規(guī)則仍在制定中。認(rèn)證指南的主要復(fù)雜性是缺乏對加材制造航空航天部件的失效機(jī)制，特別是疲勞失效的了解。Q&C的缺乏可以通過將現(xiàn)有已證實的方法與專注于am特定處理問題的方法的發(fā)展相結(jié)合來克服。

Q&C景觀示意圖。

上圖中的示意圖展示了Q&C景觀的高級元素。在技術(shù)實施的早期階段，行業(yè)通常必須完全依賴內(nèi)部專有材料和工藝規(guī)范來進(jìn)行內(nèi)部資格鑒定工作和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。開發(fā)這樣的內(nèi)部文件通常是冗長和昂貴的。當(dāng)sdo開發(fā)適當(dāng)?shù)囊?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時，公司可以在內(nèi)部文檔和外部文檔之間進(jìn)行選擇。一般來說，使用業(yè)界接受的外部規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以簡化管理機(jī)構(gòu)的工作，并通過在整個業(yè)界為諸如AM等新技術(shù)的關(guān)鍵要素建立最低限度可接受的要求方面“公平競爭”來提高安全。例如，對使用該技術(shù)感興趣，但可能沒有足夠的資源來開發(fā)全面的內(nèi)部規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的小型公司，可以使用外部文檔來實現(xiàn)健壯的Q&C流程。

最近，建立了一些與金屬AM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，只有少數(shù)如SAE AS9100和MSFC-STD-3716適用于調(diào)幅和混合調(diào)幅的航空航天應(yīng)用。由于全球公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的不足，阻礙了對調(diào)幅和混合調(diào)幅的采用，制造商已經(jīng)集中精力開發(fā)這樣的標(biāo)準(zhǔn)，以擴(kuò)大這些工藝在航空航天工業(yè)鋁合金的采用?，F(xiàn)有的機(jī)械測試和驗證方法可能不適用于AM和混合AM加工的高強(qiáng)度鋁構(gòu)件。例如，在AM加工過程中，由于熱、化學(xué)和物理現(xiàn)象同時發(fā)生的復(fù)雜性，用于調(diào)查缺陷(如空洞形成、氣體夾雜和裂紋)的無損檢測可能是有問題的。由于預(yù)計由AM加工的航空部件的重要性將會增加，需要付出更多的努力來開發(fā)新的特定的測試程序，以考慮AM加工的獨特結(jié)果，如機(jī)械性能的各向異性。

３．２． 缺陷

由于制造條件和合金本身的性能，2xxx和7xxx高強(qiáng)度鋁合金的AMed部分會出現(xiàn)幾種類型的缺陷。常見的缺陷包括開裂、氣孔、球化和衛(wèi)星化、揮發(fā)性合金元素的氧化和蒸發(fā)。

3.2.1.開裂

AM加工過程中出現(xiàn)裂紋的原因有多種，包括孔隙的存在（裂紋萌生點見圖8（a）），以及制造過程中加熱和凝固的影響。鋁合金AM加工過程中的開裂可分為液化開裂和凝固開裂。液化是在加熱時對微觀結(jié)構(gòu)的某些組分進(jìn)行選擇性熔化。例如，熔點較低的第二相顆?；蚓哂懈叨绕龅木Ы缈赡芫哂斜然w低得多的熔點，因此開始局部熔化，從而導(dǎo)致這些位置的脫粘。液化開裂傾向與合金元素的高濃度和可熱處理鋁合金的高導(dǎo)熱特性以及高激光功率和/或高掃描速度有關(guān)。相反，凝固裂紋發(fā)生在凝固的最后階段，此時沒有足夠的液體流動來填充凝固金屬之間的間隙，而凝固金屬所占的體積小于液體。

圖8 (a)在500w激光功率和1200mm /s掃描速度下對SLMed AA7075熱裂紋的掃描電鏡觀察，(b) SLMed AA7075的氣孔形成和熱裂紋的萌生。

裂紋與較大的凝固范圍有關(guān)（ΔT=Tliquidus–Tsolidus）。在高強(qiáng)度鋁合金的AM中，凝固開裂是一種非常常見的現(xiàn)象，尤其是對于AA2xxx。由于高強(qiáng)度鋁合金快速凝固過程中的裂紋敏感性，在AA2024、AA7050和AA7075等合金AM的幾項研究中對裂紋形成進(jìn)行了研究，旨在消除裂紋產(chǎn)生。在這些合金的凝固過程中，柱狀晶粒沿?zé)崽荻确较驍U(kuò)展，并沿晶界收縮，導(dǎo)致裂紋形成。在凝固的最后階段，可以沿晶界觀察到凝固裂紋的形成和擴(kuò)展。

3.2.2孔隙度

多孔性是高強(qiáng)度鋁合金熔鑄件中最常見的冶金缺陷之一，在激光作用下尤為明顯?？煞譃榭s孔、氣孔和熔合誤差。有幾個因素與孔隙形成有關(guān)，如掃描技術(shù)、熱裂解、掃描速度和使用的保護(hù)氣體。即使優(yōu)化了工藝參數(shù)，仍然可以觀察到一定程度的孔隙度。在SLM過程中，常見的孔隙類型有小孔和冶金孔。這些在激光掃描后形成的氣泡被困在零件表面下。激光掃描速度快時，主要形成小孔孔(尺寸<100 μm且形狀不規(guī)則)，而掃描速度慢時，主要形成冶金孔(尺寸<100 μm且呈球形)。其他類型的氣孔可能是由于鋁合金粉末不完全熔化或印刷的鋁層之間不適當(dāng)?shù)母街υ斐傻?。Kaufmann等報道了AA7075的熱裂起源于孔隙(圖8(b))。

3.2.3成球和衛(wèi)星生成

考慮到表面能最小化的原則，在AM工藝中，當(dāng)與基體接觸較差時，由于表面張力，液態(tài)金屬可能收縮成球形幾何形狀。這種球形形成稱為成球。由于鑄球?qū)е落X合金表面接觸不良，凝固層表面粗糙，導(dǎo)致零件質(zhì)量低下。高強(qiáng)度鋁合金的AM制球通常與熔化和燒結(jié)過程有關(guān)。高強(qiáng)度鋁合金AM過程中液滴飛濺和潤濕性差也會引起球化現(xiàn)象。當(dāng)較低熔體池中達(dá)到足夠的熔點時，球化傾向于被抑制。衛(wèi)星生成是另一種表面缺陷，在微觀結(jié)構(gòu)和形貌方面與球化略有不同。衛(wèi)星表面缺陷與球不同，它是由一些粘在表層的粒子組成的。因此，衛(wèi)星編隊高度依賴于掃描策略和參數(shù)。Aboulkhair等人的研究中，在掃描速度為250mm/s時，觀察到的SLMed AlSi10Mg中的衛(wèi)星形成少于在500mm/s或750mm/s時的衛(wèi)星形成。在以750mm/s激光掃描速度對AlSi10Mg合金進(jìn)行SLM后觀察到的大量成球和衛(wèi)星生成如圖9（a）所示。

圖9 AMed零件的表面缺陷:(a)在750 mm/s掃描速度下SLM中高強(qiáng)度AlSi10Mg的成球，(b) SLMed AA6061的氧化膜形貌的SEM圖像。

3.2.4.氧化

另一個降低暴露于激光熔化的AMed部件質(zhì)量的問題是逐層構(gòu)建、激光金屬沉積和燒結(jié)過程中的氧化（圖9（b））。鋁倍半氧化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性使得鋁合金粉末表面生成的氧化膜難以去除。Louvis等人通過激光熔化AA6061和al–12Si合金，研究了熔池不同點的氧化皮形成機(jī)理。在他們的研究中，激光束照射后，位于上熔池表面的氧化皮蒸發(fā)。攪動熔池的Marangoni力也被確定為氧化皮破裂的最可能原因。氧化皮殘留在熔池兩側(cè)，導(dǎo)致區(qū)域孔隙。不可能用保護(hù)氣體完全填充零件制造的腔室，并且由于鋁合金粉末內(nèi)的氣隙，剩余0.1–0.2%的氧氣。

在AM工藝中，除了零件的上表面，每個掃描層中都可能發(fā)生氧化。通過控制氧化膜的形成，可以調(diào)節(jié)通過激光熔煉生產(chǎn)的鋁合金零件的質(zhì)量。在采用激光熔化的AM工藝中，氧化也會影響合金的粉末團(tuán)聚。因此，鋁合金粉末在輥子上的分布不均勻，每個輥道中的熔池都錯位，導(dǎo)致AMed零件的結(jié)構(gòu)完整性和精度降低。因此，鋁合金成分不同區(qū)域的熔化和潤濕由氧化物的解離或破壞控制，而不是由不同區(qū)域的熔化控制。監(jiān)測建筑物容積中的氧氣水平可以防止爆炸，特別是在安全關(guān)鍵AM應(yīng)用中。為此，氧氣分析儀允許制造商控制建筑體積中的氧氣水平。

激光束在熔體軌跡中的位置對濺射演化的影響示意圖:(a)激光束定位在熔體軌跡上時，會形成粉末濺射;(b)激光束定位在熔體軌跡前面時，會形成液滴濺射。

從使用原始粉末和氧化粉末的單層熔體軌跡實驗中，我們觀察到在整個熔體過程中粉末噴射和液滴飛濺。我們的結(jié)果表明，激光-熔體軌跡的相互作用產(chǎn)生了激光誘導(dǎo)的蒸汽噴射和垂直于熔體軌跡表面的反沖壓力。根據(jù)實驗推測，該剝蝕帶呈反鐘形，含有高濃度的金屬蒸氣（見上圖）。高溫金屬蒸氣間接加熱周圍的氬氣，在裸露區(qū)內(nèi)產(chǎn)生對流或向內(nèi)的氬氣流動，促進(jìn)蒸汽驅(qū)動的粉末夾帶，以延長熔體軌跡。

3.2.5揮發(fā)性合金元素的蒸發(fā)

在功率密度相對較高的AM工藝中，如果合金成分中某些元素的熔點低于粉末合金的母材的熔點，這些元素就會發(fā)生選擇性蒸發(fā)。蒸發(fā)引起的成分變化可以改變耐蝕性、機(jī)械性能和凝固組織。研究主要集中在高強(qiáng)度鋁合金SLM和PBF-L加工過程中揮發(fā)性合金元素的蒸發(fā)，如Zn、Mg和鋰(Li)，目的是延長這些合金的加工性能。Mauduit 等評估了幾種高強(qiáng)度鋁合金用于PBF-L的適用性。PBF-L工藝后化學(xué)成分的變化見表2，特別要注意Zn和Mg含量的顯著變化，用粗體標(biāo)注。

表2 PBF-L工藝后高強(qiáng)度鋁合金成分的化學(xué)成分變化(wt%)，重要的變化以粗體突出顯示。

3．3． 減少或消除缺陷的方法

一些關(guān)于高強(qiáng)度鋁合金的研究表明，通過優(yōu)化工藝參數(shù)或修改合金成分，可以生產(chǎn)出幾乎(95%-99%)無缺陷的高強(qiáng)度鋁合金部件。額外的工藝特性，如熱處理、預(yù)熱和在真空中進(jìn)行工藝，已被應(yīng)用于盡量減少或消除3.1節(jié)中所述的缺陷，并改善AMed部件的機(jī)械和冶金性能。

3.3.1增材制造工藝參數(shù)的優(yōu)化

工藝參數(shù)的選擇和AM工藝參數(shù)的優(yōu)化顯著影響最終部件的質(zhì)量和機(jī)械及冶金性能。這些參數(shù)已在幾項研究中得到優(yōu)化。例如，使用激光的AM過程中的裂紋可以與高殘余應(yīng)力的產(chǎn)生聯(lián)系在一起。為了減少高強(qiáng)鋁合金快速凝固過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，需要考慮最合適的掃描策略。提出了消除裂紋的最佳方法是在加工過程中通過原位合金化改變易裂紋鋁合金的成分?？梢栽谌鄢爻煞种屑尤腩~外的鋯(Zr)等合金元素，以縮小凝固溫度范圍。

熔煉方式是影響這些鋁合金熔煉性能的另一個關(guān)鍵因素。裂紋密度與熔體模式有關(guān)，影響最后熔體池的幾何性質(zhì)。鋁合金熔煉采用兩種熔煉方式，即小孔熔煉和傳導(dǎo)熔煉。在小孔熔煉過程中，利用較高的激光能量密度來實現(xiàn)材料的蒸發(fā)，蒸發(fā)后的材料產(chǎn)生蒸發(fā)壓力，形成一個凹陷。如果采用較低的能量密度，材料熔化的方式稱為傳導(dǎo)熔化。然而，較低的激光密度可導(dǎo)致部分熔化和球化。因此，小孔熔化模式被確定為減小裂紋密度的較好模式。Qi等指出了在激光熔化的AM工藝中，選擇小孔模式熔化al粉的重要性和作用。在保持其他掃描參數(shù)不變的情況下，驗證了小孔和傳導(dǎo)熔化模式在避免裂紋方面的差異。在相同的掃描速度下，采用鑰匙孔熔化方式的AA7050的晶粒結(jié)構(gòu)比采用傳導(dǎo)熔化方式的晶粒結(jié)構(gòu)更細(xì)(圖10(a - c))，沿晶界擴(kuò)展的裂紋也更少(圖10(b-d))。

圖10 SLMed AA7050的EBSD圖:(a,c)晶粒結(jié)構(gòu)和取向，(b,d)裂紋形成。

基板預(yù)熱（也稱為基板）是另一種通過降低熱梯度陡度來最小化殘余應(yīng)力的方法；因此，殘余應(yīng)力引起的變形可以最小化。為了減少殘余應(yīng)力和由此產(chǎn)生的裂紋，可提供液態(tài)金屬，以回填形成的任何裂紋。用于保護(hù)的惰性氣體在液態(tài)金屬中是不溶的，因此可以觀察到由于惰性氣體滯留在固化池中而產(chǎn)生的任何孔隙。Wang等認(rèn)為，當(dāng)氦（He）用作保護(hù)氣體時，機(jī)械性能較差，尤其是延展性較差。使用Ar或N進(jìn)行屏蔽可提高機(jī)械性能，即極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高20%和50%，與不使用保護(hù)氣體的相同工藝相比，伸長率增加了一倍。

Koutny等人研究了SLM過程中掃描面積與孔隙生成之間的關(guān)系。AA2618中掃描面積的增加導(dǎo)致更高的孔隙密度。為防止出現(xiàn)氣孔，可選擇工藝參數(shù)的優(yōu)化組合，包括掃描速度、熔化模式、粉末層厚度和激光功率。高能量密度有助于產(chǎn)生足量的液態(tài)金屬，以減輕成球。此外，溫度越高，液態(tài)金屬的流動性越高，從而增加固化層的潤濕性?；孱A(yù)熱還可以通過降低合金凝固過程中的收縮效應(yīng)來增強(qiáng)基板和熔體之間的潤濕性，從而提供良好的機(jī)械粘合水平。

氧化皮的形成導(dǎo)致熔池表面鈍化，從而促進(jìn)冶金缺陷，如氣孔。因此，消除鋁合金AM加工過程中氧化皮的形成至關(guān)重要?？捎糜诜乐寡趸ば纬傻姆椒òㄔ谡婵展に嚟h(huán)境或足夠低的氧分壓下進(jìn)行印刷，以及在干燥和涼爽的環(huán)境中儲存鋁合金粉末。即使使用這些方法，到目前為止，也無法實現(xiàn)完全沒有氧化皮的AMed零件。因此，需要采用新技術(shù)來減少或消除氧化皮的形成，以實現(xiàn)完全無氧化物的AMed鋁組件。降低或消除低蒸氣壓和熔點揮發(fā)性元素蒸發(fā)的方法包括選擇適當(dāng)?shù)膾呙杷俣群椭械燃す夤β式M合。然后，可以調(diào)整AM過程中的熔池溫度以及使用的相關(guān)能量密度。

3.3.2合金成分的改變和熱處理

通過與熱處理相結(jié)合對合金成分進(jìn)行改進(jìn)，可以克服AM工藝中出現(xiàn)的一些缺陷，從而獲得完全無缺陷且組織精細(xì)的合金成分。一些研究評估了在AA2xxx和AA7xxx合金中引入Zr和硅(Si)的成分改性，目的是改善這些合金的機(jī)械性能。例如，si改性的AA7075在160℃時效6h的拉伸試驗中，屈服強(qiáng)度提高了10%，極限拉伸強(qiáng)度提高了6.75%。類似的成分修飾方法也應(yīng)用于2xxx高強(qiáng)度鋁合金。Nie等研究了Zr的引入對al - cu - mg合金在83和167 mm/s的高掃描速度下晶粒尺寸的影響。這導(dǎo)致了相對較小的晶粒尺寸和非常好的機(jī)械性能;Zr添加量在0 wt% ~ 2.5 wt%之間對晶粒結(jié)構(gòu)的影響如圖11所示。隨著Zr含量的增加，在較高的掃描速度下可以獲得理想的機(jī)械性能。

圖11 zr改性SLM處理Al-4.24Cu-1.97Mg-0.56Mn合金的EBSD圖譜:(a) 0 wt%- 83 mm/s， (b) 0.6 wt% - 83 mm/s， (c) 2 wt% - 167 mm/s， (d) 2.5 wt% - 167 mm/s。

4. 鋁合金混合增材制造工藝

4．1. 混合制造和混合增材制造

增材和傳統(tǒng)制造工藝的缺點和工藝限制，導(dǎo)致工業(yè)界和學(xué)術(shù)界加大了克服這些挑戰(zhàn)的努力。制造過程的混合方法已經(jīng)發(fā)展，其中不同的材料，機(jī)器和制造過程相結(jié)合?！盎旌现圃臁币辉~在文獻(xiàn)中使用得有些松散和不一致。根據(jù)國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)，混合制造過程的定義是:“混合制造過程是基于過程機(jī)制和/或?qū)^程性能有顯著影響的能源/工具的同時和受控的相互作用”。在這個定義中，“同時的和受控的交互作用”指的是在同一時間或同一制造區(qū)域內(nèi)或多或少發(fā)生的交互作用。近年來，混合制造工藝已在各種技術(shù)中得到應(yīng)用，如混合等離子沉積與銑削，混合分層制造，3D焊接與銑削。

混合制造工藝可分為幾種主要類型，即混合減法、混合變形、混合加法、混合加法+減法、混合接合+減法、混合加法+變形和混合減法+變形，其中“變形”指軋制等操作。作為混合制造的子類別之一，混合增材制造（混合AM）可定義為多步驟制造，其中AM工藝與其他生產(chǎn)方法（通常為減法和/或另一AM工藝）結(jié)合使用，以實現(xiàn)所需的材料性能，最終零件的設(shè)計和尺寸公差。

例如，與傳統(tǒng)制造（CM）工藝相比，AM工藝仍然限制幾何精度和表面質(zhì)量，因此，CNC加工操作通常作為混合AM工藝中的后處理步驟實施，以消除表面粗糙度，提高尺寸精度，并移除某些AM過程中使用的支撐結(jié)構(gòu)。因此，混合制造方法能夠生產(chǎn)比單獨使用AM或傳統(tǒng)制造工藝更高精度的零件?；旌螦M的類別包括幾種不同的制造工藝和材料集成方法，例如：（i）加法和減法（AM對CM），（ii）加法和加法（不同AM工藝的組合），（iii）加法和加法（CM作為AM的后處理），（iv）用于維修零件的AM，以及（v）混合式機(jī)器（單工序）。從該列表和第4.2節(jié)可以看出，在某些情況下，混合AM涉及多個AM過程和/或使用多個材料的AM操作，但在其他情況下，它涉及單個AM操作和一個或多個CM過程。

混合AM工藝不同于一般混合制造工藝，主要區(qū)別在于混合制造將受控和同時集成的工藝組合到一個新的裝置中，以便在單個生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行加工。另一方面，混合AM工藝涉及順序執(zhí)行的離散操作，例如，在生產(chǎn)CMed基板部件（AM對CM）之后，復(fù)雜形狀的上部冷卻通道的AM。應(yīng)用混合AM工藝的主要目標(biāo)是改善零件性能、功能和質(zhì)量，而混合制造工藝的主要重點是改進(jìn)工藝。與單個AM工藝相比，混合AM工藝還可以實現(xiàn)大型部件的批量生產(chǎn)，提高精度和幾何復(fù)雜性，從而改善成品部件的工藝性能和機(jī)械性能。在其他研究中提出了一種混合AM工藝，該工藝允許多種沉積工藝的組合，包括使用多種輕質(zhì)粉末材料和CNC銑削中心。這使得激光合金化熱沖壓和鍛造工具表面的幾何形狀易于修改，并減少了表面上的磨料磨損。

4．2． 鋁合金混合增材制造工藝

研究了幾種鋁合金混合調(diào)幅工藝，目的是消除調(diào)幅過程中產(chǎn)生的缺陷和其他問題。表3總結(jié)了最近開發(fā)的鋁合金混合調(diào)幅工藝的例子，包括涉及的子工藝、使用的合金和取得的好處。最廣泛使用的鋁合金AM工藝(PBF, DED, SL)已在第2節(jié)中進(jìn)行了綜述。其中，SLM、WAAM和擠壓是混合am工藝在傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋁合金制造生產(chǎn)鏈中占主導(dǎo)地位。開發(fā)SLM、WAAM和擠壓混合am工藝的主要目標(biāo)可以概括為:(SLM)消除冶金缺陷和提高機(jī)械性能;(WAAM)細(xì)化晶粒和消除冶金缺陷;(擠出)實現(xiàn)印刷鋁合金層間的理想結(jié)合和提高沉積速率。

表3 鋁合金混合am的研究進(jìn)展。

最近，Wu等發(fā)布了一種新的混合調(diào)幅概念，稱為激光鎢惰性氣體(TIG)混合調(diào)幅工藝(圖12(a))，其中的制造工藝包括選擇性激光熔化和鎢惰性氣體混合。采用該方法，用直徑1.2 mm的ER2319鋁合金絲制備了AA2219高強(qiáng)度合金試樣。微裂紋幾乎被消除，在沉積的AA2219試樣的截面上檢測到很少的微孔(高倍鏡下觀察到的孔隙率僅為0.8%)。激光- tig混合AM技術(shù)幾乎消除了微裂紋和微孔隙，并改善了拉伸性能。這些性能的改善歸因于加工后在AA2219激光區(qū)獲得了均勻的銅分布、更細(xì)小的共晶和半相干θ′相。微孔是影響鋁合金焊接質(zhì)量的重要缺陷。為了控制或減少鋁合金中孔隙的產(chǎn)生，研究人員致力于開發(fā)新的混合AM工藝來控制和減少高強(qiáng)度鋁合金中孔隙的發(fā)生。因此，混合waam工藝在高強(qiáng)度鋁合金中得到了廣泛的應(yīng)用。在一些研究中，提出了一種混合- waam工藝，在金屬沉積過程中，通過冷金屬轉(zhuǎn)移電弧的極性交替振動AA2319工件。由于工件的同時振動和彎曲應(yīng)力的引入，孔隙率密度從6.66%下降到1.52%。與變形的AA2319相比，振動試樣晶粒細(xì)化了22.5%，抗拉強(qiáng)度提高。

圖12 高強(qiáng)度鋁合金混合AM工藝示意圖:(a)激光- tig混合AM， (b)混合金屬擠壓&粘結(jié)AM。

在最近的一項研究中，WAAM和激光沖擊噴丸相結(jié)合，以細(xì)化晶粒為目標(biāo)生產(chǎn)出AA2319。采用混合am工藝后，平均晶粒尺寸由59.7 μm減小到46.7 μm，屈服強(qiáng)度提高了72%。研究表明，激光沖擊強(qiáng)化是提高waam加工高強(qiáng)度鋁合金機(jī)械性能的一種有效方法。提出了一種名為混合金屬擠壓&粘結(jié)的新概念(圖12(b))，它包括對接焊接和擠壓AM。該工藝能夠以相對較高的沉積速率生產(chǎn)出近乎網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而使固結(jié)固態(tài)原料與基體的金屬結(jié)合。

在研究中設(shè)計的擠出機(jī)使現(xiàn)有的和固有的氧化物分散在基體和原料上或內(nèi)部。由于這種分散的結(jié)果，理想的鍵合壓力達(dá)到了金屬鍵合表面的區(qū)域。Gu等開發(fā)了一種混合-WAAM工藝，包括WAAM、層間軋制和熱處理，以提高使用WAAM形成的鋁合金的機(jī)械性能。在他們的研究中，通過層間軋制，Al-Mg4.5和Al-Cu6.3合金WAAM沉積過程中形成的微孔減少。軋制后，兩種合金的微孔數(shù)量和尺寸均有所減少。在一些研究中，混合am涉及材料雜交(在這種情況下，不同的鋁合金)，以實現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械和微觀組織性能的AMed鋁零件。例如，混合am工藝被提出用于制備功能梯度Al-Ti6Al4V，包括SLM和冷噴涂。在本研究中，雖然觀察到大量孔隙，但對斷口進(jìn)行的分析表明，Al-Ti6Al4V零件具有高質(zhì)量的內(nèi)聚和粘接。

5. 討論

對鋁合金混合am的研究少于鋼和復(fù)合基材料。這一缺陷可能與以下情況有關(guān):(i)在合并AM技術(shù)方面存在困難，(ii)由于冶金缺陷而限制了鋁合金的適用性，(iii)缺乏AM和混合AM加工的鋁航空航天部件的認(rèn)證，限制了對這些部件采用AM工藝?；趯ψ罱l(fā)展起來的鋁合金混合AM工藝的回顧，可以看到這些工藝將AM工藝融入到傳統(tǒng)的生產(chǎn)鏈中，有效地克服了特定的缺點。

6.結(jié)論

本文綜述了高強(qiáng)度鋁合金常用的AM工藝、AM相關(guān)缺陷和問題，以及克服這些缺陷和問題的方法。它特別關(guān)注為高強(qiáng)度鋁合金開發(fā)的混合AM工藝。通過審查，可以得出以下結(jié)論：

(1)主要缺陷和問題包括開裂、氣孔、成球、衛(wèi)星生成、揮發(fā)性合金元素的氧化和蒸發(fā)。盡管已經(jīng)做出了重大努力來克服傳統(tǒng)AM工藝的缺陷和局限性，但只能實現(xiàn)幾乎（95%到99%）無缺陷AMed零件。

(2)近年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了許多方法來抑制AM在高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金中的缺陷并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。包括波音和空客在內(nèi)的領(lǐng)先航空航天公司已對混合AM解決方案進(jìn)行了投資，旨在最大限度地減少或消除高速大容量AM過程中的缺陷，同時縮短交付時間。

(3)在過去的十年中，為了克服傳統(tǒng)AM的局限性和缺陷，混合AM工藝得到了越來越多的應(yīng)用。混合工藝在以下方面已被證明是有效的：（i）最小化或消除AM中出現(xiàn)的缺陷，（ii）實現(xiàn)比傳統(tǒng)AM更好的機(jī)械性能和最終零件的功能性，（iii）改善工藝性能和（iv）消除AM相關(guān)缺陷。然而，混合AM工藝也有其局限性，如所涉及的工藝數(shù)量導(dǎo)致的工具數(shù)量多、設(shè)備成本高和處理時間長。因此，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，作為擬定混合AM工藝規(guī)劃的一部分。

(4)作為未來的發(fā)展，混合AM工藝可用于大規(guī)模多材料和/或航空航天部件不同部分的不同原材料，以便更好地根據(jù)工程要求（如承重）定制部件。混合AM工藝還可以作為數(shù)字自動化和機(jī)器人輔助工藝進(jìn)一步集成到工業(yè)4.0中，從而能夠在相同的建筑體積內(nèi)組裝剛制造的混合AM加工部件。

(5)在未來十年中，隨著混合AM工藝的新發(fā)展，高強(qiáng)度鋁合金AM有望成為航空航天工業(yè)更有效的技術(shù)。因此，混合AM工藝可能成為生產(chǎn)高度固結(jié)且無冶金缺陷的輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金部件的更合適方法。

來源：Challenges in additive manufacturing of high-strength aluminiumalloys and current developments in hybrid additive manufacturing，InternationalJournal of Lightweight Materials and Manufacture，doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.12.004

參考文獻(xiàn)：J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar，Review of additivemanufacturing technologies and applications in the aerospace industry，F(xiàn).H. Froes,R. Boyer (Eds.), Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, Elsevier,United States (2019), pp. 7-31, 10.1016/C2017-0-00712-7