近日，由奧本大學(xué)和EOS北美工程師組成的研究小組，深入研究了構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁合金部件結(jié)構(gòu)完整性的影響。

該團隊對五種最流行的鋁合金粉末進行了測試，包括AlSi10Mg、Scalmalloy、F357以及QuesTek和Addalloy? 5T (AD1) 公司生產(chǎn)的鋁合金粉末。使用粉末床熔融3D打印技術(shù)，他們研究了構(gòu)建方向如何改變部件微觀結(jié)構(gòu)、材料孔隙率和疲勞行為，這些屬性都是材料是否適合高應(yīng)力工業(yè)應(yīng)用的影響因素。

研究顯示，鋁合金在增材制造中的使用受到了極大關(guān)注，特別是在航空航天工業(yè)中，這使得越來越多與增材制造工藝更兼容的新型高強度鋁合金不斷涌現(xiàn)。但是，在將這些新開發(fā)的鋁合金用于安全關(guān)鍵承重應(yīng)用之前，對其結(jié)構(gòu)完整性進行全面研究至關(guān)重要。

所研究鋁合金的成分組成

五種鋁合金粉末3D打印之后的SEM圖像

鋁合金在增材制造應(yīng)用中的興起

隨著金屬3D打印技術(shù)迅速成為汽車、國防和醫(yī)療保健等行業(yè)的戰(zhàn)略應(yīng)用技術(shù)，新材料創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)。尤其是鋁合金，憑借高強度重量比、淬透性和出色耐腐蝕性的特點，使其成為航空航天和賽車運動領(lǐng)域各種應(yīng)用的首選。

然而，奧本大學(xué)的研究人員表示，3D打印鋁合金通常比其他材料更具挑戰(zhàn)性。此類材料粉末顆粒輕、流動性差、易吸潮、導(dǎo)熱性高，且極易氧化，這一系列問題增加了3D打印鋁合金出現(xiàn)缺陷的風險——這些問題對任何材料的機械性能（尤其是疲勞性能）都是有害的。3D打印技術(shù)參考也曾在《制約鋁合金3D打印應(yīng)用的六大因素及國內(nèi)外高強鋁合金的商用進展》中進行了詳細解讀（鏈接http://amreference.com/?p=6566）。

當前已經(jīng)證明，零件的構(gòu)建方向是產(chǎn)生缺陷的類型、大小和頻率的主要影響因素。這歸因于不同構(gòu)建方向下零件經(jīng)歷的熱歷史變化，因此有必要評估構(gòu)建方向如何影響3D打印鋁合金部件的疲勞行為。

由 Scalmalloy 制造的空氣動力學(xué)賽車小翼

構(gòu)建方向?qū)Y(jié)構(gòu)完整性的影響

該研究在垂直和水平方向上3D打印了AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357樣品。

首先，構(gòu)建取向?qū)︿X合金部件的晶粒結(jié)構(gòu)沒有顯著影響。然而，構(gòu)建方向?qū)θ毕菥哂忻黠@的影響，水平試樣的體積缺陷水平比垂直試樣高得多。Scalmalloy 和AD1在垂直和水平構(gòu)造方向之間的缺陷密度變化最小，這是由于這兩種合金的熱導(dǎo)率相對較低所致。

不同鋁合金3D打印完成之后的熱處理條件

LB-PBF鋁合金的拉伸性能

將這些合金相互比較，無論構(gòu)建方向如何，AD1鋁合金在疲勞性能方面都優(yōu)于AlSi10Mg、QuesTek Al和Al F357。這是由于AD1較低的缺陷密度、較高的拉伸強度和較高的伸長率所導(dǎo)致的結(jié)果。雖然水平方向構(gòu)建的Scalmalloy零件的疲勞性能略低于水平方向AD1零件，但兩種合金的垂直試樣的疲勞壽命相當。

該研究總結(jié)道：“雖然這項研究并未提供整體疲勞性能，但五種不同方向制造的LB-PBF鋁合金所得到的數(shù)據(jù)和知識可以幫助用戶選擇合適的鋁合金種類。

五種合金水平結(jié)構(gòu)的孔隙率明顯高于垂直結(jié)構(gòu)

END

根據(jù)SmarTech的介紹，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）將從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右。鋁合金正在追趕上鈦、鎳和鋼等材料，成為支持增材制造下一代發(fā)展的重要機遇。