導讀：本文報道了一種專為 LPBF 技術開發(fā)的新型鋁鋰合金。在鑄件上進行激光上釉的方法適用于 LPBF 的近似凝固條件。開發(fā)了五種不同 Sc 和 Zr 含量的 Al-Cu-Li 錠，并獲得了優(yōu)化的化學成分并將其轉化為 Al-Cu-Li-Sc-Zr 粉末。這種新開發(fā)的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金通過LPBF成功加工，具有高構建率和低Li損失率。這種新型合金顯示出優(yōu)異的拉伸性能，包括屈服強度為 482 ± 1 MPa，極限抗拉強度為 539±1  MPa，伸長率為 8.8±0.7%。

近年來，鋁合金的激光粉末床融合（LPBF）發(fā)展迅速。以前的研究主要集中在最初為傳統(tǒng)工藝設計的鑄造和鍛造鋁合金。LPBF中研究最廣泛的鋁合金是Al-Si鑄造鋁合金，其中AlSi10Mg引起了最大的關注. 由于凝固范圍窄、收縮率低，這些Al-Si鑄造鋁合金具有良好的LPBF加工性能。對于汽車和航空航天工業(yè)中常用的鍛造鋁合金，如 2xxx、5xxx、6xxx 和 7xxx 系列合金，嘗試將這些合金進行 LPBF 處理通常會導致加工過程中發(fā)生熱裂。

為鑄造和鍛造工藝設計的傳統(tǒng)合金無法充分利用 LPBF 的高凝固率帶來的潛在好處。因此，LPBF 鋁合金的研究重點正逐漸從對成熟的鑄造和鍛造鋁合金的加工嘗試轉向開發(fā)新的鋁合金系統(tǒng)，以適應 LPBF 過程中獨特的熱機械條件。第一種專門為 LPBF 設計的商用鋁合金可能是Al-4.60Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn，重量百分比。經(jīng)受 LPBF 的 Scalmalloy 合金具有細晶粒和高拉伸性能[的特點。這些商業(yè)合金的 LPBF 加工結果指出了細化晶粒以解決開裂問題的重要性。值得注意的是，包括Sc和Zr在內的孕育元素的含量遠高于傳統(tǒng)的鑄造和鍛造鋁合金。

為 LPBF 開發(fā)合金的主要挑戰(zhàn)是生產具有各種成分的合金粉末的高成本，并且對這些粉末進行的 LPBF 加工實驗非常耗時。一種常用的方法是將現(xiàn)有的可鍛鋁合金粉末與孕育粉末混合，例如2024+Zr 、2024+Ti 、7075+Si和7075+ZrH 2。通過控制接種粉的用量，方便調整混合粉的組成. 但Si、Zr和Ti的熔點分別為1414℃、1852℃和1668℃，遠高于鋁合金的熔點（463℃～671℃）。熔點差異大可能導致混合粉末熔化不均勻。另一種方法是使用 LPBF 機器的激光熔化具有設計成分的鑄錠，以接近 LPBF 的凝固條件。該方法用于評估Al-Sc-Zr、Al-Er-Zr、Al-Ce、Al-Co和Al-Mn-Sc的顯微組織和開裂。

鋁鋰合金由于其密度低、耐腐蝕性好、強度和韌性相結合，在航空航天工業(yè)中逐漸取代傳統(tǒng)鋁合金。LPBF 為制造輕質結構提供了一種有效的方法。因此，將鋁鋰合金應用于LPBF對于進一步減輕航空航天結構的重量具有廣闊的應用前景。

在此，華中科技大學朱海紅教授團隊應用澆鑄和激光上釉方法來模擬 LPBF 的凝固條件。開發(fā)了五種具有不同 Sc 和 Zr 含量的 Al-Li 合金并將其轉化為錠，旨在解決 LPBF 生產的鋁鋰合金的高裂紋敏感性和相對較高的鋰損失率。新開發(fā)的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金由LPBF成功生產，兼具高強度和良好的延展性。與傳統(tǒng) 2195 鋁鋰合金的 LPBF 相比，這種新型合金具有更高的構建效率并降低了鋰損失率。相關研究成果以題“High strength Al-Li alloy development for laser powder bed fusion”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接： What are Journal Pre-proof articles? https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860421004097

在這項研究中，應用鑄造和激光上釉方法開發(fā)了一種專門用于 LPBF 技術的新型鋁鋰合金。新開發(fā)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金通過 LPBF 處理進行了評估和驗證。當用 0.8Sc-0.4Zr 和 1.0Sc-0.5Zr 引入 Al-4Cu-1Li 合金時，激光區(qū)域不存在裂紋。隨著Sc和Zr含量的增加，激光區(qū)域的晶粒逐漸變細，并在接種1Sc-0.5Zr時幾乎完全等軸化。細化晶粒降低了枝晶間液體的總壓降，因此合金更耐開裂。

圖1。(a) Al-Cu-Li-Sc-Zr粉末的掃描電子顯微鏡圖像；(b) Al-Cu-Li-Sc-Zr粉末的粉末粒度分布；(c) LPBF 生產的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的代表性長方體樣品和拉伸板。

圖2。從具有不同掃描速度的激光上釉樣品的縱向截面獲得的光學顯微鏡圖像：（a）Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e) Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖3。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的背散射電子圖像：（a）Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e) Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。右上角的插圖是高倍率的激光玻璃區(qū)域。左下角插圖是高倍放大的鑄造區(qū)域。

圖 4。合金#5 的能量色散光譜儀元素線掃描：(a) 激光玻璃區(qū)域；(b) 鑄造區(qū)域

優(yōu)化后的化學成分轉化為粉末，化學成分為Al-3.89Cu-1.22Li-0.98Sc-0.43Zr。用優(yōu)化的工藝參數(shù)（激光功率 300  W，掃描速度 1200  mm/s，艙口間距 0.1  mm，層厚 40 μm）制造的樣品達到了 99.9% 的致密化水平，沒有裂紋和Li損失率為9%。LPBF 制備的新開發(fā)合金樣品的顯微組織由細小的等軸晶粒和細小的柱狀晶粒組成，平均等效圓直徑分別為 0.6 μm 和 2.5 μm。

圖 5。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的 EBSD 晶界圖：（a）（f）Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d)(g) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e)(h) Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖 6。所有樣品的鑄造區(qū)域和激光玻璃區(qū)域的平均晶粒尺寸：（a）當量圓直徑；(b) 擬合橢圓縱橫比。

圖 7。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的 EBSD 內核平均取向差 (KAM) 圖：(a) Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e) Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖 10。從以不同掃描速度制造的 LPBF Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金樣品的縱向截面獲得的光學顯微鏡圖像：(a) 400  mm/s, (b) 800  mm/s, (c) 1200  mm/s , (d) 1600 毫米/秒。

新開發(fā)的合金 LPBF 樣品具有 482 ± 1  MPa 的高屈服強度、539 ± 1  MPa 的高極限抗拉強度和 8.8 ± 0.7% 的良好伸長率。與 2195 合金相比，新開發(fā)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的 YS 增量主要是由于顯著的晶粒細化。

圖 13。(a) LPBF 在制造條件下生產的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金和鑄造的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的工程應力-應變曲線。插圖顯示了拉伸試驗后典型的 LPBF 和鑄造拉伸樣品。(b) LPBF 生產的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金樣品的拉伸性能與其他專門為 LPBF 設計的現(xiàn)有鋁合金在制造條件下的拉伸性能相比。

總之，本文成功開發(fā)了一種專門用于 LPBF 的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金，具有高拉伸性能、高構建率和低鋰損失率。未來將對這種新型合金的析出行為和熱處理后響應進行研究。