北理工-层间暂停策略消除3D打印铝合金开裂，显著提高力学性能！
激光增材制造Al-Mg-Si合金长期存在粗大柱状晶和连续热裂纹的问题，限制了应用领域。近期北京理工大学的科研人员展示了一种新颖而简单的层间暂停 (IP) 策略，消除Al-Mg-Si合金热裂纹，从而提高通过激光熔化沉积 (LMD) 制造的Al-Mg-Si合金的机械性能。研究发现增加层间暂停时间不仅有利于细化粗柱状晶粒，而且抑制晶粒沿打印方向的生长趋势，并诱导柱状晶向等轴晶转变。此外适当的层间暂停时间可以消除沿柱状晶界的热裂纹并降低孔隙率的数量；但是进一步延长层间暂停时间会导致形成大量长的水平板条状裂纹。激光熔化沉积过程中极快的凝固抑制了初级金属间化合物颗粒的形成，促进了时效硬化析出物的析出。采用每层8s的最佳层间暂停策略，激光熔化沉积合金在热处理后表现出281±1MPa的屈服强度和18%的伸长率，显示出比铸造和锻造铝合金更好的机械性能。该层间暂停策略为未来激光熔化沉积制造高强度铝合金提供了指导方针。相关研究成果以“Design strategy for eliminating cracking and improving mechanical properties of Al-Mg-Si alloys fabricated by laser melting deposition”为题，发表于增材制造top期刊《Additive manufacturing》。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423001264
Al-Mg-Si铝合金是一类重要的可热处理合金，具有高比强度和良好的耐蚀性，广泛应用于汽车、船舶和建筑行业的大型结构零件。作为变形铝合金在铸造后一般需要挤压、轧制或锻造加工成成品。然而这种传统的铸造-变形-切割减材制造已经越来越难以满足高效和环境可持续性的先进制造需求。增材制造为近净形金属部件的制造带来了巨大的机遇。激光熔化沉积（LMD）是一种应用广泛且前景广阔的增材制造方法。与激光选区熔化（SLM）相比，激光熔化沉积具有更高的制造速度和更高的灵活性，因为打印时无需预先铺设金属粉末，也没有模具的限制。因此激光熔化沉积更适合制造大型金属零件，尤其是结构复杂的零件，更能满足实际工业生产对结构的需求。为解决激光熔化沉积铝合金的热裂问题，已经进行了许多专注于工艺参数优化的研究。激光能量相关参数是研究最广泛的参数。研究人员发现，适当的激光能量输入，如更高的激光功率、更低的扫描速度，可有效缓解激光熔化沉积铝合金的热裂纹。激光熔化沉积铝合金中的热裂纹也可以通过添加成核剂来抑制，然而过多的成核剂添加会导致延展性下降，成核剂将是回收铝合金时需要考虑的问题。由逐层制造模式引起的各层沉积之间的层间停顿通常被认为会导致严重缺陷和机械性能受损。然而在某些合金中（例如Ti-6Al-4V、不锈钢和 Inconel 625） , 层间停顿是一个有用的增材制造处理参数。例如，层间停顿可以触发镍铝纳米沉淀并控制增材制造过程中的马氏体相变，从而使 Fe19Ni5Ti 钢具有优异的机械性能。还发现，当没有发生固相转变时，层间停顿可用于释放累积的热应力减少金属零件的变形。因此采用适当的层间暂停策略显示出减轻激光熔化沉积6xxx 铝合金热裂纹的巨大潜力。在这项工作中，为消除热致开裂并提高激光熔化沉积铝合金的机械性能，激光熔化沉积应用了各种层间暂停策略来制造AA6061铝合金。研究了层间暂停策略对微观结构（晶粒结构、初级金属间化合物颗粒和纳米级沉淀物）和缺陷（裂纹和孔隙率）的影响。
图1 (a) 示意图；(b)激光熔化沉积AA6061长方体；(c) 说明扫描策略的示意图表1 这项工作中所有AA6061合金的加工状态和相应的缩写
图2 EBSD：(a) NP；(b) IP1；(c) IP2；(d) IP3；(e) IP4；(f) AC；(g) AD合金
图3 激光熔化沉积合金中柱状晶的长度和宽度
图4 SEM图像显示缺陷分布（白色箭头：热裂纹，黄色箭头：孔隙率，红色箭头：水平裂纹）
图5 合金在热处理前缺陷（裂纹和孔隙）的 3D XCT：(a1-d1) 缺陷的整体分布，以及(a2-d2) 相应合金中典型缺陷的放大图
图6 合金中缺陷的等效直径分布频率，插图显示大于60µm的缺陷的放大分布频率 (e) 缺陷的数密度和体积分数，以及相应合金的相对密度
图7 合金中初级金属间化合物粒子的数量密度和体积分数：(a) IP1 和 (b) AD 合金中初级金属间化合物颗粒的等效直径分布频率，插图显示放大的分布频率
图8 合金机械性能以及和之前研究的比较
总之在这项工作中，研究人员展示了一种有效且简单的解决方案，即采用层间暂停策略来获得通过激光熔化沉积(LMD)制造的无裂纹高强度高延展性Al-Mg-Si合金。通过最佳层间暂停策略，激光熔化沉积AA6061合金表现出比经过相同热处理的铸造和锻造AA6061更高的屈服强度和更优异的延伸率。根据微观结构研究和机械测试得出以下结论：
(1)将IP（层间暂停）时间增加到30s有效地减少了LMD过程中的热量积累，从而在凝固过程中产生更大的温度梯度和更高的冷却速率，有利于粗大柱状晶的细化。此外，增加的IP时间不仅会导致织构随机化并抑制沿构建方向有利的晶粒生长趋势，还会通过抑制外延晶粒生长和促进当前沉积层中α-Al晶粒的成核来诱导柱状向等轴转变。
(2)LMD期间8s的IP时间及时释放热应力并中断晶间液膜的连续生长。因此，与没有IP的合金相比，热裂纹消除，孔隙数密度大大降低。然而，进一步延长IP时间会导致形成大量长的水平板条状裂纹，作为层间未熔合缺陷，这是由于过度减少的热量积累。
(3)LMD过程中，极快的凝固抑制了初级金属间化合物颗粒的形成，产生超高过饱和固溶体。与经过相同T6热处理的传统制造合金相比，导致LMD合金中时效硬化析出物的数量密度高得多。
(4)采用每层8s的最佳策略的合金在热处理后表现出281±1MPa的YS和18%的伸长率，甚至优于铸锻合金。
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