Al6061 鋁合金雷射熔化3D列印熱裂紋問題的解決方法

2021-01-15 3DScienceValley

根據SmarTech，增材製造鋁合金材料的全球供應鏈似乎已經「越過門檻」，成為支持增材製造技術的下一代機遇。

但長期以來，在3D列印鋁合金材料中，僅少數Al-Si基鑄造合金已實現無裂紋加工。焊接性較差的鍛造鋁合金，由於高的熱梯度會促進柱狀生長並因此引起熱裂紋，因此鍛造級鋁合金的增材製造應用受到了很大的限制。

根據3D科學谷的市場觀察，這一限制正在被打破。2019年以來陸續商業化的高強度鋁合金3D列印材料，為原來必須通過鍛造來實現的零件加工打開了一扇嶄新的大門，結合3D列印所釋放的設計自由度，鍛造鋁合金增材製造技術將在壓力容器、液壓歧管、託架、高強度結構件領域獲得想像力巨大的市場空間。

新型3D列印鍛造鋁合金材料的開發仍在繼續發展。本期，3D科學谷將分享法國學者Mathieu Opprecht等人在3D列印AI6061鋁合金消除熱裂紋方面所開展的最新研究成果。

邁向完全等軸晶結構的第一步

當使用選區雷射熔化3D列印技術進行鍛造鋁合金成形時，易於發生嚴重的開裂。近年來，為了獲得具有高機械性能的緻密零件，許多研究都集中在工藝參數的優化上，然而通過這種方式處理的材料範圍仍然相當有限。在鍛造鋁合金中，Al6061和Al7075 在選區雷射熔化過程中裂紋水平特別高。

來自法國學者Mathieu Opprecht等人的最新研究表明，添加一定數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）可以誘導晶粒細化，改變3D列印6061鋁合金材料的微觀結構，從而消除熱裂紋現象。相關論文發表在Acta Materialia期刊中。

表1：Al6061粉末化學成分；表2：實驗中使用的YSZ 粉末化學成分。來源：Acta Materialia

晶粒細化的兩種方法

論文表明，有兩種方法可以進行晶粒細化。第一種方法是在列印過程中控制熱應力。第二種方法是通過改變合金成分或在基礎粉末中直接添加成核劑來增強異相成核。

無論是焊接工藝還是選區雷射熔化工藝，產生熱裂紋的原因大體相似。在這兩種情況下，工藝參數都會引起熱應力，這是造成裂紋的關鍵因素。然而通過工藝參數控制難以實現對熱應力的控制。論文表示，要想顯著降低熱應力，就需要大幅降低溫度梯度，而在選區雷射熔化工藝中，無法通過工藝參數或環境的改變實現這一目標。在熱處理過程中，用於產生強化相的合金元素通常會增加凝固溫度範圍，在之前的研究中，這一點也是十分不利的。此外，在3D列印工藝中，高溫度梯度通常會引起沿構造方向拉長的柱晶結構，促進熱裂紋現象的產生。

不同體積分數的混合粉末SEM 圖像 (a)0.05% ; (b) 0.2%; (c) 1%; (d) 2%; (e) 4%。來源：Acta Materialia

在這項研究中，研究人員使用方法是第二種，即將不同數量的釔穩定氧化鋯（YSZ）添加到Al6061基礎粉末中。實驗發現，晶粒細化效果取決於添加的YSZ量。從1％（體積分數）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構。結果表明，添加2％（體積分數）的YSZ可以完全避免熔池邊界上的裂紋。論文基於TEM和DRX研究為3D列印過程中添加劑的使用提供了新的見解。文章在許多現有的凝固模型的基礎上討論了實驗結果，重點討論了實現等軸凝固方案的必要條件。

光學顯微照片顯示了YSZ添加後熱裂紋敏感性的變化。來源：Acta Materialia

論文表明，仍需要後續工作進一步研究列印材料的力學性能，如：Al3Zr沉澱相和晶粒結構的影響。此外，關於這種新型合金，另一個有意義的研究角度是後期熱處理。研究表明，大量的Zr富集於固溶體中。通過適當的時效處理，預期會沉澱出納米Al3Zr相，從而使基體變硬。

每單位面積的總裂紋長度與YSZ添加量的關係。來源：Acta Materialia

根據現有的實驗結果，該方法還可應用於其他對熱裂紋敏感的鋁合金3D列印工藝。這項工作實現了邁向完全等軸晶結構的第一步，對材料力學性能的提升十分有益。

以上部分內容來源：材料科學與工程

3D科學谷Review

在此之前，已有通過文中提到的第二種方法進行晶粒細化的先例。如Martin等人通過向Al7075粉末中添加成核劑，成功3D列印了無裂紋部件。另有一個典型的成功案例是空中巴士APWorks 為3D列印開發的高強度鋁合金-Scalmalloy，這是一種Sc和Zr改性的5xxx鋁合金。Al3Zr / Al3Sc有利核相的析出是消除熱裂解作用的主要原因。

Scalmalloy 材料已被證明是有效的，但該材料所依賴的Sc稀土元素成本昂貴。在本期3D科學谷分享的法國學者的研究工作中，其中一個目的是使用低成本的納米級YSZ粒子作為成核劑，從而消除裂紋敏感鋁合金中的裂紋。之所以選擇釔穩定氧化鋯（YSZ）粉末，是因為其具有大規模生產的條件，易於處理以及能夠沉澱Al3Zr相的低廉價格和可用性。

Al3Zr是αAlFCC的鑄造和焊接工藝中眾所周知的鋁核相。在本期3D科學谷分享的研究成果中，學者們對添加YSZ量子點的Al6061鋁合金加工過程中的晶粒細化效果進行了整體性研究。

此外，根據3D科學谷的市場觀察，還有一種高強度3D列印鍛造鋁合金材料也採用了添加鋯基成核劑的方式實現晶粒細化、消除裂紋。該材料為HRL實驗室所開發的3D列印用高強度7A77.60L鋁粉，已正式投向市場。HRL實驗室選擇了鋯基納米顆粒成核劑，並將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。成型後的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現了細晶粒微觀結構，並與鍛造材料具有相當的材料強度，這一3D列印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8％。

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參考資料：

1. Mathieu Opprecht et.al. A solution to the hot cracking problem for aluminium alloys manufactured by laser beam melting.Acta Materialia 197 (2020) 40–53. 【已上傳至3D科學谷QQ群-木星群（106477771）】

2. 材料科學與工程. 《《Acta Materialia》雷射熔化製造鋁合金熱裂紋問題的解決方法！》

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