導(dǎo)讀：本文提出了一種在激光熔化（LBM）制造過程中消除鋁合金熱裂紋現(xiàn)象的方法，研究主要以6061鋁合金為例。6061是一種沉淀強化鋁合金，以鎂和硅為主要合金元素。這種合金具有出色的重量/強度比和高導(dǎo)熱率，因而通常用于航空工業(yè)和汽車行業(yè)。但是，在LBM加工過程中，特別容易產(chǎn)生熱裂紋。本文提出的解決方案是誘導(dǎo)晶粒細化，以避免形成大的柱晶結(jié)構(gòu)。

近年來，為了獲得具有優(yōu)秀力學(xué)性能的致密零件，大量研究聚焦于優(yōu)化LBM的工藝參數(shù)。但是，可以用于這種工藝的材料仍然相當有限，當今最相關(guān)的是TA6V，316 L，Inconel 718和AlSi10Mg。只有少數(shù)的Al-Si基鑄造合金實現(xiàn)了無裂紋制造。對于可焊性差的鍛造鋁合金，由于工藝過程中存在促進柱狀晶生長，并因此引起熱裂紋的高溫度梯度，LBM技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制。對于Al6061和Al7075，LBM的開裂現(xiàn)象尤其嚴重。

來自法國學(xué)者Mathieu Opprecht等人的最新研究表明，添加一定數(shù)量的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）可以誘導(dǎo)晶粒細化，改變3D打印6061鋁合金材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而消除熱裂紋現(xiàn)象。相關(guān)論文以題為“A solution to the hot cracking problem for aluminium alloys manufactured by laser beam melting”于近日發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.015

像大多數(shù)增材制造（AM）工藝一樣，激光熔化（LBM）也是一種逐層制造技術(shù)。每個粉末層根據(jù)所需的幾何形狀由聚焦的激光束熔化。LBM的應(yīng)用潛力主要為：在大多數(shù)情況下，這種技術(shù)無需定制模具，即可生產(chǎn)復(fù)雜的功能部件。此外，粉末可以回收利用，減少了制造過程中產(chǎn)生的浪費。

對于焊接工藝和LBM工藝中的這兩種凝固過程，產(chǎn)生熱裂紋的原因大體相似。在這兩種情況下，工藝參數(shù)都會引起熱應(yīng)力，是造成裂紋的關(guān)鍵因素。但是，似乎不太可能在LBM工藝中根據(jù)這一思路找到簡單的解決方案，因為在3D打印的工業(yè)實踐中無法對熱應(yīng)力加以控制。要想顯著降低熱應(yīng)力，就需要大幅降低溫度梯度，而在LBM工藝中，無法通過工藝參數(shù)或環(huán)境的改變實現(xiàn)這一目標。其次，在熱處理過程中，用于產(chǎn)生強化相的合金元素通常會增加凝固溫度范圍，在之前的研究中，這一點也是十分不利的。此外，在3D打印工藝中，高溫度梯度通常會引起沿構(gòu)造方向拉長的柱晶結(jié)構(gòu)，促進熱裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生。

在本文研究中，研究人員使用干混工序?qū)⒉煌瑪?shù)量的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）添加到Al6061基礎(chǔ)粉末中（所用設(shè)備Turbula?）。實驗發(fā)現(xiàn)，晶粒細化效果取決于添加的YSZ量。從1％（體積分數(shù)）開始，SEM和EBSD圖像顯示出呈雙峰分布的等軸柱狀晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，添加2％（體積分數(shù)）的YSZ可以完全避免熔池邊界上的裂紋。本文基于TEM和DRX研究為3D打印過程中添加劑的使用提供了新的見解。文章在許多現(xiàn)有的凝固模型的基礎(chǔ)上討論了實驗結(jié)果，重點討論了實現(xiàn)等軸凝固方案的必要條件。

圖1.不同體積分數(shù)的混合粉末SEM 圖像 （a）0.05% ; （b） 0.2%; （c） 1%; （d） 2%; （e） 4%.

圖2.光學(xué)顯微照片顯示了YSZ添加后熱裂紋敏感性的變化

圖3.每單位面積的總裂紋長度與YSZ添加量的關(guān)系

圖4.不同YSZ體積分數(shù)，EBSD圖像（灰度等級+粗線表示的晶界）展現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)

本文認為，需要后續(xù)工作進一步研究打印材料的力學(xué)性能，如：Al3Zr沉淀相和晶粒結(jié)構(gòu)的影響。此外，關(guān)于這種新型合金，另一個有意義的研究角度是后期熱處理。研究表明，大量的Zr富集于固溶體中。通過適當?shù)臅r效處理，預(yù)期會沉淀出納米Al3Zr相，從而使基體變硬。

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)有的實驗結(jié)果，該方法還可應(yīng)用于其他對熱裂紋敏感的鋁合金LBM工藝。這項工作實現(xiàn)了邁向完全等軸晶結(jié)構(gòu)的第一步，對材料力學(xué)性能的提升十分有益。