由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，发表的铝合金增材制造技术大综述文章，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。

上期文章已经介绍了铝合金的分类、铝合金增材制造技术及挑战，本期内容，增材制造技术前沿主要介绍铝合金增材制造过程中的缺陷控制和微观结构。

一. 缺陷控制和微观组织

图3 铝合金分级围观组织结构特征

除了上述研究最多的铝硅合金外，微观结构和机械性能还可以通过成分改性进一步调整。Si含量对L-PBF Al-xSi合金的可打印性、微观结构和机械性能具有重要作用。Al-0.5Si、Al-4.0Si 和Al-12.6Si 样品实现了无裂纹，而Al-1.0Si和Al-2.0Si样品出现裂纹。除了Si含量外，通过调整Mg含量可以制备出新型增材制造专用Al-Si合金，以提高机械性能。

二. 高强铝合金的裂纹形成

中（Al-Mg）和高强（Al-Cu、Al-Mg-Si 和Al-Zn）铝合金的L-PBF加工会形成裂纹，但它由于其在航空航天工业中的应用，近年来引起了人们的极大兴趣。中高强铝合金L-PBF过程中的裂纹现象通常与凝固收缩和相对较大的凝固范围有关。热裂被认为是由凝固过程中的收缩引起的，为消除裂纹可以通过调整打印参数、打印条件（例如底板预热）、成分改性等方式。图4是通过修改扫描速度同时固定其他打印参数来优化L-PBF中高强度铝合金打印的一些示例。对于Al-Cu-Mg和 Al5083 合金，裂纹的密度和分数随着扫描速度的降低而降低。对于 Al-Cu-Mg和 Al5083 合金在较低扫描速度下获得无裂纹样品（图4）。

图4 修改扫描速度同时固定其他打印参数来优化L-PBF中高强度铝合金打印的一些示例

三. 后热处理和显微组织演变

由于L-PBF过程中的非平衡加工特性，通常需要对铝合金定制特殊的后热处理制度，而不是为铸造或锻造铝合金设计的传统热处理曲线。热处理曲线通常包括应力消除(SR)退火、直接时效(DA)和固溶处理(ST)，然后根据STA进行人工时效。SR和DA的实验过程相似，包括将样品在一定温度下保持一段时间，然后冷却主要区别在于温度。L-PBF 铝合金的SR通常在约300°C下进行几个小时以释放残余应力，而DA在相对较低的温度下进行以通过消耗过饱和溶剂元素诱导沉淀。

• 机械性能

L-PBF非合金铝的研究相对较少，由于缺乏有效的强化途径，表现出较低的屈服强度。L-PBF Al的拉伸性能。屈服强度约为75MPa，高于铸造样品（屈服强度50MPa），是由于L-PBF样品的细化微观结构所致。对于L-PBF Al-Si合金，由于细化Si相的形成，其强度高于铸造合金。L-PBF AlSi10Mg的屈服强度约为300MPa，相对于通过放电等离子烧结和热挤压制造的屈服强度提高了约140%（图5）。L-PBF Al-Si合金的机械性能受熔池边界分数、Si网络和晶粒尺寸以及Si 颗粒的过饱和和析出等微观结构改变的影响。通过调整工艺可以来降低熔池边界的面积分数有效地将拉伸延展性从7.2%提高到9.8%。

由于沿构建方向的不同热历史和柱状晶的形成，L-PBF Al-Si合金显示出机械各向异性。不同研究之间的机械各向异性存在差异。与垂直样品相比，水平样品的屈服强度和极限抗拉强度更高。拉伸性能的各向异性归因于熔池边界的分数，其中孔隙、残余应力和热影响区的局部化使其成为最薄弱的部分。熔池边界分数最低的水平样品表现出更高的强度。然而，也有一些报道表明，沿建造方向的强度高于水平方向的强度。相对于水平方向（260MPa），沿垂直方向的300MPa更高的屈服强度归因于共晶微观结构和具有较高屈服应力的体积的不均匀分布。热处理有利于微观结构均匀化和修复机械性能各向异性。

热处理对L-PBF Al-Si 合金力学性能的影响，当DA温度升高到300°C和400°C时，由于富硅边界的消失、Si和Mg的溶解，屈服强度降低（图6）。对于L-PBF AlSi10Mg，由于固溶强化、位错强化、析出和Si颗粒生长的贡献减少，屈服强度随着DA温度的升高而逐渐降低。同时由于组织更均匀，热处理后的组织更均匀，热处理可以有效缓解拉伸性能的各向异性。对于具有良好L-PBF打印性的中高强度铝合金，主要是Al-Cu合金，由于晶粒细化，L-PBF铝合金相对于铸造合金表现出更高的屈服强（图7）。作为承载部件结构失效的最突出原因，疲劳特性，如高周疲劳、疲劳裂纹扩展和断裂韧性，对于实际应用至关重要。L-PBF Al-Si 合金的高周疲劳性能与试验方向和微观结构密切相关。但到目前为止，对 L-PBF 中高强度铝合金的高周疲劳、断裂韧性和裂纹扩展行为的研究还很有限。

图5增材制造铝合金机械性能合金

图6增材制造铝合金高温拉伸性能

图7热处理后增材制造铝合金机械性能合金

• 腐蚀性能

由于特殊的微观结构，例如与常规制造的对应物相比细晶粒和微观结构的不均匀性，L-PBF 铝合金的腐蚀性能值得研究，为工业应用铺平道路。迄今为止的结果表明，Si壳在影响腐蚀性能方面起着重要作用。总的来说，与铸造合金相比，具有超细晶粒的 L-PBF 中强度和高强度铝合金表现出更高的耐腐蚀性。由于不同的析出行为、晶粒尺寸和纹理，XY 平面和 XZ 平面表现出不同的腐蚀行为。此外，耐腐蚀性对热处理条件很敏感，热处理条件会调整析出物的大小和间距。

• 高温应用

开发用于中温应用的铝合金一直是一个长期存在的问题，但对工业应用具有重要意义，例如部分替代钛合金以减轻重量和成本。然而，对于典型的高强度铝合金，有效的强化沉淀物会变粗或溶解到基体中，从而限制了它们的应用。目前已经进行了大量工作来开发用于高温应用的铝合金。常用方法是引入热稳定相。（i）引入热稳定的强化沉淀物，例如典型的 L12 结构的Al3X（X=Zr 或 Sc）颗粒；(ii)引入高体积分数的金属间化合物，如 Al-Fe、Al-Ce、Al-Ni等；(iii) 引入耐热陶瓷颗粒，例如氧化物、碳化物、氮化物和硼化物。

图8 (a) 屈服强度和 (b) 激光粉末床熔融铝合金和常规制造铝合金的极限抗拉强度的相关性

• 粉末原料对打印质量的影响

L-PBF样品的打印质量取决于各种因素，粉末原料、打印环境和打印参数。作为打印的起始材料，粉末原料在影响打印样品的质量方面起着重要作用，例如可打印性、致密化和拉伸性能。常见的粉末特性包括粉末形态、密度、流动性、铺展性和化学成分（图9）。粉末形态包括粒度分布、卫星、粉末的球形度、纵横比和粉末的团聚度，而粉末的密度可以用表观密度、堆积和堆积密度来反映。此外，化学成分，包括微量元素、氧化物、杂质和水分的含量也会影响打印样品的相形成、微观结构和机械性能。粉末再利用对打印铝合金粉末特性和质量也会存在影响。为了最大限度地利用增材制造的粉末以确保减少浪费和降低成本，在增材制造过程中经常采用粉末再利用。然而，粉末特性在重复使用后可能会退化，这会影响打印样品的可打印性和质量。图10总结了 L-PBF 铝合金粉末特性和机械性能随粉末重复使用的变化。

图9 初始原料粉末特性

图10 粉末特性对打印质量的影响参考文献

总结

这项综述回顾了铝合金增材制造的最新技术，重点关注不同增材制造技术的加工所制备铝合金的"加工-组织-力学性能"关系。总之：已经采用基于熔体和基于固态的增材制造来制造Al和Al合金。在基于熔体的增材制造中，激光粉末床融合所占比例最大，Al-Si合金是增材制造研究最多的合金体系。激光粉末床熔融Al-Si合金沿打印方向显示出粗大柱状晶和包含边界富含Si的异质结构。激光粉末床熔融Al-Si合金的微观结构和机械性能可通过调整取向参数进行调节。由于快速冷却过程产生的微观结构细化，激光粉末床熔融Al-Si合金相对于铸造合金表现出更高的屈服强度。由于裂纹的形成，使用激光粉末床熔合打印高致密且无裂纹的高强度铝合金仍然具有挑战性。已采用微米或纳米粉末进行功能化以提高打印能力。裂纹愈合归因于与Al基体共格的Al3X相的形成，细化晶粒以防止裂纹扩展。通过晶粒细化，激光粉末床熔合高强度铝合金表现出比传统制造的铝合金更高的屈服强度。激光粉末床熔融铝合金的微观结构和机械性能可通过后热处理进行调节。由于特殊的微观结构，需要重新设计热处理型材以达到所需的微观结构和高性能。