华中科大：开发用于增材制造的新型抗裂纹、高性能铝合金

激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能

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，镁和锂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。在这种情况下，开发具有改良结构的特殊铝合金用于SLM技术具有重大意义。

Al-Cu-Mg合金的开裂机理示意图

前不久，华中科技大学宋波教授联合中南大学和南洋理工大学，通过将Ti引入Al-Cu-Mg合金有效地促进了晶粒细化和从柱状到等轴晶粒过渡。Ti改性后，由于形成了均匀细密的等轴晶，消除了热裂纹，其抗拉强度达到426.4MPa，屈服强度为293.2MPa，延展性为9.1％。研究人员通过热力学计算和显微组织表征，详细讨论了Ti改性铝合金的合金组成设计，裂纹消除机理和组织演变。相关研究结果以题为“Anovelcrack-freeTi-modifiedAl-Cu-Mgalloydesignedforselectivelasermelting”发表在AdditiveManufacturing上。

SLM制造的Ti/Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg合金的力学性能

Ti改性的Al-Cu-Mg合金的优异机械性能主要归因于裂纹的消除和精细的等轴组织。热力学计算表明，Ti的加入能显著提高裂纹扩展限制因子，不过对裂纹敏感性影响不大。通过实验方法，证实了SLM对Ti/Al-Cu-Mg合金零件裂纹形成的抑制作用。在SLM制备的Ti/Al-Cu-Mg合金零件中，除了Al2Cu析出物和α-Al基体外，还发现了Al3Ti纳米粒子。Ti的加入有效地促进了Al-Cu-Mg合金的晶粒细化和柱状晶向等轴晶的转变。

Al-2.25Cu-1.8Mg-xTi相图

Ti/Al-Cu-Mg合金细等轴晶形成过程示意图

与柱状晶粒相比，等轴晶粒更容易旋转以适应应变，从而抑制了相邻晶粒之间的相干性。细等轴结构中每体积更多的界面也能够更好地消除热应力。此外，等轴细晶粒还可以改善快速凝固过程中的液相流动，从而在很大程度上避免形成热撕裂裂纹。另外，与粗大柱状晶粒的平坦边界相比，在细等轴微结构中提供了更弯曲的裂纹路径，从而抑制了裂纹扩展。因此，与Al-Cu-Mg合金的粗大柱状显微组织相比，Ti的添加形成的细等轴组织显著降低了产生裂纹的可能性。

拉伸试验后（a-b）Al-Cu-Mg合金和（c-d）Ti/Al-Cu-Mg合金断口的SEM显微图像

最后，研究人员指出改性的Al-Cu-Mg合金的Ti添加量为1.5 wt％。这种新颖的钛改性铝合金具有细的等轴晶粒和增强的力学性能，为可打印的轻质材料提供了新的成分空间。