四机构联合：铝合金增材制造顶刊大综述！
与钢材和钛合金相比，铝合金增材制造 (AM) 的发展速度相对较慢，但在过去15年中呈现出蓬勃发展的趋势。通过学术界和工业界的共同努力，铝及其合金在新工艺、新合金、新热处理型材的开发和应用等方面取得了重大进展。近日，新加坡制造技术研究所、南京理工大学、南洋理工大学、新加坡科学技术研究局，四所著名科研机构和院所的研究人员联合，发表了铝合金增材制造技术大综述文章。
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104047
文章详细概述了使用各种增材制造技术制造不同铝合金的工艺技术、微观结构和性能，包括激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融、激光粉末直接能量沉积、电弧增材制造、粘结剂喷射等工艺，评估了每种铝合金制造技术的优缺点。作为铝合金增材制造的主导技术，重点介绍了激光粉末床熔化技术，综述了后热处理、粉末原料、氧化和元素蒸发等各种因素对微观结构和性能的影响。
介绍
增材制造技术自成立以来被广泛认为是生产高性能结构零件的新技术，这主要归功于这项技术所提供的制造优势，因此它引起了研究者极大的兴趣。作为仅次于钢材的第二种最常用的结构合金，铝 (Al) 合金由于其低密度和优异的性能组合，在航空航天工业中发挥了重要作用。到目前为止，熔体增材制造和固态增材制造技术都已被用于制造铝合金。基于熔体增材制造技术，由于下面原因铝合金的增材制造发展相对缓慢：（1）与钛合金不同，铝合金易于通过传统铸造或锻造方法铸造成复杂形状的部件；（2）铝粉表面易形成氧化物、铺展性差和能量吸收率差；(3) 一些高强铝合金焊接性差，在增材制造过程中会形成热裂纹。即使存在上述缺点，但由于铝合金提供的优异性能，Al合金增材制造吸引了业界越来越多的关注。
这篇报道主要综述了侧重于通过六种不同增材制造技术对铝合金和铝基复合材料进行增材制造，包括基于融合的L-PBF、线弧增材制造(WAAM)、电子束粉末床熔融(EB-PBF)、激光粉末直接能量沉积 (LP-DED)、基于烧结的粘结剂喷射 (BJ)等。图2是基于L-PBF、WAAM、LP-DED、EB-PBF和AFSD（搅拌摩擦沉积） 的 Al 和铝合金增材制造的出版物统计数量，对2006年至2022年共计约2200篇论文的调查。
图2. 基于L-PBF、WAAM、LP-DED、EB-PBF和AFSD的铝和铝合金增材制造研究出版物统计
铝合金的分类
根据 ASTM 标准，目前铝合金可分为两大类，即锻造合金和铸造合金。到目前为止，作为结构材料采用的铝合金中约有80%是锻造合金。此外，根据性能发展的主要机制，铝合金可以标记为可热处理或不可热处理合金。可热处理的铝合金依靠热处理来强化合金，而非热处理的铝合金则依靠加工硬化。最后，铝合金可以根据其成分分为不同的族。例如，Al5xx.x（铸造）和Al5xxx（锻造）合金以镁为主要合金元素。各种铸造和变形铝合金的详细分类，如图3。在这项综述中，铝合金系列根据主要成分进行分类，包括 Al、Al–Cu、Al–Mn、Al–Si、Al–Mg、Al–Mg–Si、Al–Zn、Al-Fe、Al-Li 和 Al-Sn。
图3 各类铝合金分类
铝合金增材制造技术及挑战
接下来，将介绍激光粉末床熔融 (L-PBF)、电子束粉末床熔融 (EB-PBF)、激光粉末直接能量沉积 (LP-DED)、电弧增材制造 (WAAM)、粘结剂喷射 (BJ)和搅拌摩擦沉积 (AFSD)共六种铝合金增材制造技术的材料特点。
基于材料结合方式的增材制造工艺分类。本文仅涵盖激光粉末床融合 (L-PBF)、电子束粉末床融合 (EB-PBF)、激光粉末直接能量沉积 (LP-DED)、电弧增材制造 (WAAM)、粘合剂喷射 (BJ)和添加剂搅拌摩擦沉积 (AFSD)
增材制造技术的示意图和加工特性。电弧增材制造 (WAAM) 、粘结剂喷射 (BJ) 、激光粉末床熔合 (L-PBF) , 激光粉末直接能量沉积 (LP-DED), 电子束粉末床熔合 (EB-PBF),以及搅拌摩擦沉积 (AFSD)
LP-DED在更高的沉积速率和熔覆/涂层或修复能力方面具有多项优势，但它具有成型精度和复杂性较低的缺点。目前，有许多尝试通过 LP-DED 制造铝合金，包括Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg和 Al-Fe-Cr合金。目前已经表明LP-DED铝合金在熔池中或沿构建方向存在跨多尺度的异质微观结构。微观结构演变归因于沿构建方向的冷却速率降低，导致二次枝晶臂间距较粗，样品顶部的硬度较低。LP-DED Al5083 合金的等轴晶和柱状晶均具有倾斜生长角且无明显织构。相比之下，对于 LP-DED Al3104柱状晶粒沿构建方向外延生长，首选方向为沿 (100)（图4）。
图4 激光粉末直接能量沉积铝合金的微观结构和机械性能
2. 铝合金电子束粉末床熔融
由于EB-PBF需要预热以降低热应力，因此EB-PBF具有制造易开裂的高强度铝合金的巨大潜力。真空状态下的打印室还可以防止氧化，这使得加工铝合金具有吸引力。对于典型的 AlSi10Mg，它表现出与L-PBF对应物完全不同的微观结构，后者表现出蜂窝状结构。EB-PBF AlSi10Mg合金含有AlFeSi相和Si颗粒。组织主要由晶粒尺寸约为40μm的等轴晶粒和尺寸范围为0.5-2μm的细小亚晶粒组成，EB-PBF样品的硬度和屈服强度低于L-PBF样品（图5）。
图5. 建成电子束粉末床熔融AlSi10Mg微观结构和力学性能
3. 铝合金电弧增材制造
WAAM具有高沉积速率的优势，迄今为止，已经对铝合金的WAAM进行了大量工作。铝合金WAAM过程中的一个基本挑战是控制形状和性能，因为固有的高热输入会导致高残余应力和变形，甚至导致裂纹和分层。热输入和电弧模式在影响最终成型质量方面起着关键作用。较低的热输入可以促进减少甚至消除孔隙率制备出高致密度样品。图6是线弧增材制造铝合金的微观结构和拉伸性能。
图6 线弧增材制造铝合金的微观结构和拉伸性能
4. 铝及铝合金的粘结剂喷射
与PBF AM工艺不同，BJ兼容加工各种合金。然而，一些问题阻碍了铝合金在BJ中的广泛应用。首先在用 BJ 处理活性铝粉时应考虑安全性。其次，粉末表面的自然氧化层减慢了传质速度，使铝粉难以烧结。迄今为止，只有一篇关于使用BJ制造非合金铝的期刊论文发表。研究了各种因素（包括粘结剂饱和度、辊横动速度、层厚度和烧结气氛）对 BJ Al部件打印质量的影响。不同水平的粘结剂饱和度（从15% 到 100%）对 BJ Al 打印质量的依赖性表明较低比例的粘结剂会使打印的样品变脆，而较高比例的粘结剂会导致粘结剂过度扩散。然而，烧结件的密度仍然不够高，整体孔隙率为50-55%。低致密化可能归因于氧化层的形成，这减慢了烧结过程中的传质过程。
5. 其他技术的优点和局限性
LP-DED技术显示了高沉积速率、大型组件的构造、适合进行修复以及功能梯度材料的制造的优点。但是也存在尺寸精度低和表面粗糙度较高的缺点。具体到铝合金，还表现出以下局限性。(i) 迄今为止的结果表明，在AlSi12、AlSi10Mg、AlMnSc 和AlMgScZr合金的支持下，通过LP-DED制造的铝合金的强度低于L-PBF（图 7）；(ii) 低密度导致的铝粉流动性差会影响粉末流速的稳定性，从而降低打印样品的质量；(iii) 铝粉的高水分含量也会影响沉积样品的质量。与L-PBF、EB-PBF和LP-DED相比，AFSD技术可以提供更高的沉积速率。此外，还有足够的空间来控制AFSD样品的宏观结构（如形状）、细观结构和微观结构。固态增材制造还可以自然地克服与基于融合的增材制造技术相关的铝合金裂纹问题。因此，可以预见AFSD在未来的铝合金制造中可以发挥更重要的作用。
图 7 不同工艺制备铝合金的强度
总结