中南大学李瑞迪教授：增材制造高强度铝合金粉末成分设计、制备与应用

以探月、火星探测、空间站建设等为代表的我国航天事业正蓬勃发展，针对航空航天领域三类典型应用材料（即铝、钛、镍基合金及其金属基复合材料）、四类典型结构（大型金属结构、复杂整体结构、轻量化点阵结构、多功能仿生结构等），铝合金激光增材制造（SLM） 完美契合，有望成为下一代运载火箭、卫星等核心零部件成形的关键技术。因此，开发出新一代增材制造高强铝合金，已经成为当前航天增材领域亟待完成的一个重要基础研究任务。

▲SLM机理（图片来源：杨永强等.金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术）

基于粉床自动铺粉的选区激光熔化（SLM）技术利用高能激光熔化处于松散状态的粉末薄层（厚度通常为20～50μｍ），基于粉床逐层精细铺粉、激光逐层熔凝堆积的方式，成形任意复杂形状的高致密度构件。SLM技术成形精度高，对特殊复杂结构（如悬垂结构、薄壁结构、复杂曲面、空间点阵等）制造的适用程度高，其发展方向是实现中小型复杂构件直接精密净成形，为高性能复杂结构金属构件的低成本、短周期、净成形制造提供一体化解决方案。

对于激光增材制造而言，铝基材料是典型的难加工材料，这是由其特殊的物理性质（低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等）决定的。从增材制造成形工艺角度看，铝合金的密度较小，粉体流动性相对较差，在SLM成形粉床上铺放的均匀性较差，故对激光增材制造装备中铺粉系统的精度及准确性要求较高。未熔化前，铝对CO2激光的初始吸收率仅为９％，而其热导率高达237Ｗ/（ｍ·Ｋ），为铁的3倍、钛的16倍，通常的低功率CO2激光难以使铝粉体发生有效熔化。即便使用短波长、高功率光纤或Nd∶YAG激光使铝粉发生初始熔化，其高的热导率又将使输入热量急速传递而消耗掉，导致熔池温度降低、熔池内液相的黏度增加；同时，高温下铝熔体与氧具有很强的亲和力，而激光成形腔体内即便通过抽真空或通保护气体使氧含量降至10×10-6（体积分数）以下，系统内残余的氧元素也会在熔体表面形成氧化膜，降低熔体的润湿性和铺展性，进而将促进金属粉末SLM增材制造特有冶金缺陷--“球化”效应及成形件内部孔隙、裂纹等的发生，从而显著降低激光增材制造构件的成形性能。

目前基于SLM成形的铝合金及铝基复合材料如表1所示。虽然铝合金种类很多，但激光增材技术除了Al-Si系比较成熟外，其他铝合金成形工艺与之相比有巨大差距。Al-Si系合金因其铸造铝合金的材料本质，虽然采用经过优化的激光增材制造工艺进行制备，但抗拉强度很难突破400MPa，从而限制了其在航空航天等领域服役性能要求更高的承力构件上的使用。为进一步获得更高的力学性能，近年来Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等铝合金体系也被用作SLM成形材料，但这类铝合金中较高的合金元素含量和较宽的冷却凝固温度范围，使得沉淀强化合金在激光增材制造过程中易形成裂纹甚至发生开裂；且相对于铝元素，镁等合金元素更易在高能激光的高温作用下发生气化蒸发，从而影响成形件的成分稳定性及力学性能。

▲表1 激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能（表格来源：顾冬冬等.航空航天高性能金属材料构件激光增材制造）

中南大学的李瑞迪教授在国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持下，与中车开展合作，针对现有增材制造商用铝合金性能不足难题，提出基于层错能效应发展增材制造铝镁合金新型强韧化机理。针对易裂问题，从SLM铝镁合金的热裂机理出发，揭示了合金成分与凝固应力敏感性因子、层错能及力学性能的关系，发现了激光增材制造高镁含量铝合金中存在9R相。通过抑裂机制-层错能效应强韧化机制-成分设计-疲劳性能-构件质量控制的系统研究，制备了屈服强度520MPa，拉伸强度570MPa，延伸率12%的增材制造铝合金。研发的铝合金粉末已成形出200×200mm的复杂零件，且通过疲劳性能测试，在中车工业获得应用验证。

专家简介

李瑞迪，中南大学粉末冶金研究院，教授，博士生导师，主要从事金属增材制造、粉末快速烧结研究。第一/通讯作者在Acta Mater, Scripta Mater, MMTA等本领域主流期刊发表SCI论文70余篇，其中ESI热点论文1篇，ESI高被引5篇。担任湖南省中小航空发动机零部件增材制造工程技术研究中心副主任，《Metals》、《Advanced Powder Materials》等期刊编委，中国机械工程学会增材制造技术分会委员。获湖南省杰青、湖南省自然科学二等奖（排1）。

参考阅读：

[1] 顾冬冬等.航空航天高性能金属材料构件激光增材制造

[2] 魏娟娟等.激光增材制造铝合金及其复合材料研究进展