超越空客，中车研究院新型3D打印高强铝合金获重大突破

目前，性能最好的高强铝合金之一Scalmalloy®，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是空客公司专为增材制造而开发的材料，具有严格的专利保护，且不对国内出售。

该高强铝合金粉末材料经批量生产以及多轮SLM技术验证，拉伸强度稳定超过560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%，显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能以及其他7系锻造高强铝合金。同时，由于不同于空客公司Scalmalloy®的强化机制，该打印材料在215℃高温条件下的强度超过260MPa，延伸率超过10%，几乎比空客Scalmalloy®的高温性能整整提高了一倍。

图1. 打印件常温力学性能

图2. 打印件215℃下的高温性能

此外，该材料还具备优良的耐腐蚀性能，可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，具有广泛的应用前景和市场价值。

图3. Scalmalloy®打印件的常温和高温力学性能（空客APWORKS官方网站）

最关键的是，新开发的高强铝合金及相关打印技术均突破了空客公司Scalmalloy®高强铝合金的专利限制，具有自主知识产权。粉末中Mg、Si等主要元素比例范围均在空客专利范围之外，并添加了适量的其他微量元素。同时，基于成本因素考虑，Sc、Zr含量也进行了优化。目前，该材料及其打印工艺已申请专利4项，已获授权2项。

针对3D打印过程中存在的热应力变形以及高强度的使用要求，研究人员对材料进行了冷热裂纹抑制设计和多重强化机制设计。其中强化机制包括了固溶强化、晶界强化、纳米相强化以及高密度堆垛层错强化，材料在打印过程中不会出现微裂纹，打印件具有非常细密的等轴晶组织。同时，由于良好的强塑性匹配，打印大尺寸零件也不会发生应力开裂，能够很好的应用于较大型铝合金零部件的SLM成型。

图4. 该高强铝合金粉末打印件的微观组织结构

图5. 该高强铝合金粉末打印的粗大实体

在粉末状态方面，通过与外部粉末加工单位合作，该材料批量生产后球形度达到0.88，空心粉率控制在3%以内，氧含量控制在300ppm以下；同时铝合金的流动性难题也有突破，粉体的霍尔流速提升至100s以内，非常适合于激光粉末床打印，具有优秀的工艺适应性。

图6. 高强铝合金粉末形貌和截面图

图7. 高强铝合金粉末流动性测试

新型高强铝合金粉末材料及相关打印工艺技术由中车工业研究院主导研发，目前已稳定生产并已应用于中车轨道交通轻量化零部件的试制，取得了极佳的减重和性能强化效果。包括拓扑优化结构的抗蛇形减震器座、抗侧滚扭杆座、轴箱体以及加强散热设计的散热器板等，均取得了极佳的减重和性能强化效果。其中抗蛇形减震器座相比传统加工件减重72%。

图8. 采用新型高强铝合金粉末材料打印的轻量化轨道交通装备零部件样件

往期上传：Scalmalloy®国际专利；国内新型铝合金相关研究内容。