2022年5月，笔者写了一篇关于高强铝的文章：《讲透3D打印高强铝究竟是什么材料？》，发布于3D打印技术参考。在该文章中，笔者指出高强铝面临着四大争论：体系之争、专利之争、价格之争、投入之争。如今时间过去快一年，市场上又发生了哪些深刻的变化呢？ 我们先回顾下当前国际国内市场上推出的高强铝合金3D打印材料。本文所述的高强铝指的是用于SLM金属3D打印技术的粉末材料，不涉及丝材3D打印以及电子束3D打印。 高强铝3D打印材料市场化进程 在高强铝还未受到如此大关注的时候，英国Aeromet International Limited公司就推出了AM 205铝合金3D打印粉末。2017年8月，英国Renishaw公司和Aeromet公司宣布针对AM 205进行打印工艺参数开发和性能测试。AM 205是一种TiB2强化的AlCu合金，其成分符合AMS 4471标准，同时非常适合增材制造工艺。如今，时移事异，Aeromet已被Eckart收购，AM 205这一产品则并入Eckart公司AM业务A20X产品线。   紧接着，引爆高强铝3D打印材料的是美国HRL实验室。2017年9月，HRL在Nature发表了《3D printing of high-strength aluminium alloys》，一时引起轰动。2019年4月，美国铝业协会（Aluminum Association）首次在全球推出铝粉增材制造行业标准“Purple Sheets”，HRL生产的高强度铝合金粉体成为首个通过标准的注册商品。2019年10月，HRL将开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600MPa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。紧接着美国NASA成为HRL的首个用户，并对该材料在航空航天大型部件的生产进行了评估研究。  早在2013年，APWORKS就一直处于增材制造和先进材料的研发前沿。APWORKS成功开发出了Scalmalloy，这是一种新型高强度的铝-镁-钪合金，并于2016年5月推出了基于Scalmalloy的3D打印摩托车。2018年4月，APWORKS成为空客的全资子公司。进行资源整合后，空客针对在欧洲、美国、中国等地布局了保护性极强的专利。2020年9月，Scalmalloy粉末在中国开卖。   2019年，倍丰科技创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士在美国里诺举行的国际航空材料大会上宣布，其研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高温高强3D打印专用铝合金材料。尤其值得注意的是，采用该材料制备的航空零部件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。  2017年8月，上海交通大学王浩伟教授团队研制出超强纳米陶瓷铝合金。这是一种原位生成的TiB2纳米强化铝合金材料，在实际打印的过程中，由于强化相TiB2是从基体中原位生长的，与基体之间的界面不存在润湿性的问题，能够形成强化学键，因此合金组织能够呈现平均晶粒尺寸＜500nm的超细晶结构，大幅强化了合金的综合力学性能，并使工件的组织表现出一流的各向同性性能。这一成果后续由产业化公司安徽陶铝新材料研究院有限公司承接。2021年4月，江苏威拉里新材料科技有限公司、上海交通大学王浩伟教授团队和安徽相邦复合材料有限公司三方深度合作，在材料体系开发和制粉工艺研究等方面进行了大量研究，成功开发出适用于3D打印的高性能陶铝复合材料粉末。其打印件的最大抗拉强度超过540MPa，最大断裂伸长率超过15%。 与此同时，国内相关团队和公司开始跟进高强铝3D打印材料的研发，大部分是基于Al-Mg-Sc-Zr体系做开发。这些团队和公司有： 2019年2月，长沙新材料产业研究院自主研发的高强铝合金粉末材料，成功通过“高强铝合金增材制造技术在大型客机和民用航天制造中的应用示范项目”参研单位——西北工业大学的性能验证，最终测试结果表明室温拉伸性能达540MPa以上，延伸率超过14%，完全满足项目对基础材料的性能指标要求。2020年9月，中车研究院成功研发出一种超高强3D打印铝合金粉末材料。该粉末材料经批量SLM打印验证，拉伸强度超560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%。215℃高温强度超过260MPa，延伸率超过10%，并具有优良的耐腐蚀性能。目前已稳定生产并应用于轨道交通轻量化设计零部件的试制中，取得了极佳的减重和性能强化效果。江西宝航新材料有限公司、宁波众远新材料科技有限公司也分别推出了基于Al-Mg-Sc-Zr的高强铝粉末产品。   2021年11月，EOS公司另辟蹊径，推出了2139 AM新品铝合金3D打印材料。EOS指出：该材料专为增材制造 (AM) 而设计，可在将近200ºC的高温下展现出色的性能，是EOS强度最高的 AM铝合金材料，其性能优于目前市场上的许多类似合金。EOS Aluminium Al2139 AM高强度特性为客户提供了一个极好的机会，可以在不影响强度的情况下显著减轻制造零件的重量。   2022年12月，中航迈特宣布推出Al-Mg-Er-Zr高强铝合金粉末新品。中航迈特指出该成分突破了空客Scalmalloy专利成分封锁，拥有完全自主知识产权。  2023年3月，安徽中体新材料科技有限公司宣称和安徽工程大学联手研发低成本高强铝合金粉，推进金属3D打印领域技术创新。安徽中体指出，其联合安徽工程大学研究开发了Al-Ce铝合金系列材料，旨在提高合金的强度和塑性，进而拓展其在航天领域，汽车等领域应用，为轻量化材料的创新应用提供新的理论基础和实践指导。该系列高强铝合金材料材料易得，成本低，且生产稳定可控。 通过回顾我们能够发现，自2017年开始，高强铝3D打印材料的种类在逐渐增多，也不断有新的高强铝3D打印材料推向市场。下表列示了近年来市场上推出的高强铝3D打印材料及其性能。表1近年来市场上推出的高强铝3D打印材料及其性能（参考发布时资料） 序号 材料体系 牌号 推出公司 材料性能 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/% 1 Al-Cu-TiB2 AM205 Aeromet International 450-511 390-440 10-13 2 Al-Zn-Mg-Cu -Zr 7A77 HRL Additive 520-615 490-585 6-14 3 Al-Mg-Sc-Zr Scalmalloy Apworks 520 480 13 4 Al-Mg-Sc-Zr HAlSc 长沙新材料产业研究院 535 510 12 5 Al-Mg-Sc-Zr CRRC-HAP-1 中车研究院 560 500 10…

近日，3D打印技术参考注意到西交大新闻网刊发了一篇题为《科技自立自强，西安交大金属增材制造科研团队在新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究方面取得新进展》的文章，展示了该校魏正英教授团队的最新研究成果。 笔者查询了作者团队发表的论文原文，文章提到，铝合金因具比强度高、高导热、来源广、成本低等优点，成为汽车、航空航天、轨道交通等多领域应用最广泛的金属材料之一。随着增材制造技术的快速发展，多种类型的金属3D打印技术被用于铝合金成型研究和应用，其中以激光和电弧增材制造最为突出。  对比两种热源的3D打印技术，激光粉末床熔融技术在制造中小尺寸、高复杂、高精度零件方面具有显著优势，但由于材料本身所固有的高导热、高反射和易氧化等特点使其难以借助激光实现高效沉积。3D打印技术参考在《铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展》一文中进行过详细描述。  电弧增材制造相比激光在铝合金3D打印方面具有显著优势，尤其体现在大型构件制造方面。3D打印技术参考已经观察到众多的应用案例，如波音公司已经扩大了与澳大利亚金属3D打印公司AML3D的合作，借助电弧3D打印大型铝合金构件；前不久，西工大刊文指出林鑫教授团队铝合金电弧增材制造研究为我国航天提供了重要支持。总的来说，铝合金电弧增材制造正在引起越来越多的关注。 然而，电弧增材制造也有很多问题需要解决。根据西交大新闻网和论文原文的描述，当前研究普遍认为电弧本身不够稳定：沉积层磁场、气流和表面形貌都对电弧形态有显著影响。同时，丝弧之间的强耦合使材料添加和热输入匹配非常严格。电弧稳定性和材料传递模式是电弧增材制造的核心任务，打破传统电弧增材制造中丝弧之间的强耦合是解决上述问题的根本途径。  西安交大魏正英教授金属增材制造科研团队研究比较了电弧增材GMA-AM（气体金属电弧增材制造）、激光-GMA混合制造、旁路耦合WAAM、气体钨丝电弧（GTA）增材等技术，提出一种新型熔滴+电弧增材制造方法（DAAM），实现了铝合金部件的高质量和高效率制造。  熔滴+电弧增材制造实验平台  在DAAM系统中，团队设计了一种特殊的熔滴发生系统来取代传统的送丝系统，使材料添加过程和弧热输入过程成为两个独立的部分。该研究采用变极性气体钨弧（VP-GTA）作为热源，选用2219铝合金作为沉积材料，首先分析了熔滴生成过程和熔滴+电弧沉积特性。然后提出一种热输入策略，实现具有良好形貌的薄壁构件的制备。在此基础上，研究了微观结构分布和晶粒形貌。最后，研究了不同工艺条件下的拉伸性能和断裂特性。 电弧增材制造2219铝合金薄壁件 DAAM薄壁样品典型晶粒形成示意图 相关研究成果以《一种新型的铝合金熔滴+电弧增材制造方法》（A novel droplet + arc additive manufacturing for aluminum alloy: Method, microstructure and mechanical properties）为题发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。文章第一作者为西安交通大学机械工程学院硕博连读博士生贺鹏飞，作为新工艺平台的设计与研制及工艺负责人对新工艺研制成功做出了突出的贡献。  近年来，西安交通大学魏正英教授金属增材制造团队先后研究了多物理场耦合的金属增材过程的传热传质增材成形机理，对光/粉末耦合机制、熔滴与超常熔池冶金动力学行为进行研究，分析金属增材制造中熔化特性及凝固宏观形貌和微观组织特征；分析了多重热循环中应力变形机制，对金属增材形—性的一体化进行调控机制研究；研究了金属增材制造精度控制、性能预测和可视化测量反馈控制技术，利用自主研制的SLM平台进行了航天的金属选区融化技术研究。 针对轻质铝合金激光增材高效成形的难点，团队成功研制了颗粒增强铝基复合材料熔滴/电弧高效增材制造技术与设备，并建立了熔滴复合电弧3D打印成形系统和动态监视反馈的主动控制软硬件系统，实现了耐磨陶瓷颗粒增强铝基复合材料构件的熔滴/电弧高效增材制造。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042200745X 注：本文部分内容参考西安交通大学新闻网。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2023首篇Nature：哈佛大学多材料螺旋3D打印新方法 2.高性能铝合金3D打印粉末之宝航多级别材料与应用场景 3.视频：3D打印一站式软件如何完成结构优化、支撑设计与仿真并加快制造效率 4.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

3D打印技术参考注意到，已将业务拓展至粘结剂喷射金属3D打印技术领域的日本理光，于近日推出了适用于该技术的6000系列铝合金(AlSiMg)。在传统制造中，6000系铝合金因具有高强度和耐腐蚀特性而被广泛使用。 然而，6000系列铝合金更容易氧化并且对杂质的耐受性更差，这使它们成为最难烧结的铝合金之一。 理光使用BJ技术3D打印的6000系列铝合金零件 2020年，日本理光发布了采用液相烧结技术成形的4000系列铝(AlSi)，使这种材料的粘结剂喷射打印成为可能。在6000系列的开发中，理光与德国弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所IFAM合作，再次利用了液相烧结工艺。 理光铝合金粘结剂喷射金属3D打印烧结流程 6000系列铝合金的在烧结过程中，理光精确控制炉内气体，并使用高度可降解的粘结剂和优化的脱脂工艺。如今，这项技术的发展已经使6000系列铝合金复杂零件的粘结剂喷射打印成形成为可能。 6000系铝合金烧结性能 在粘结剂喷射工艺中，粘结剂有选择的逐层沉积在粉末床上，从而制造出生坯。生坯随后经过脱脂和烧结过程获得致密化的金属零件，而铝合金的粘结剂喷射已被证明存在困难——表面氧化物阻碍了烧结阶段的致密化。 理光6000系列铝合金BJ3D打印零件的断层扫描图像6000系铝合金零件的微观结构（来自理光） 随着理光6000系列铝合金材料的开发，材料烧结后相对密度超过97%。烧结样品的X射线计算机断层扫描显示，表面或内部均无大孔隙。同一样品的微观结构在更高的放大倍数下也表现出烧结后有足够的致密化，样品的相对密度达到97.9%。 聚焦于热应用与轻质部件制造 理光表示，对于铝合金应用来说，重要的特性包括抗拉强度和导热性，与传统工艺所注重的特性一致。据报道，在T6热处理（6000系列铝的常见热处理）之后，样品的拉伸强度约为250MPa。通过激光闪光法测量的热导率也记录为180W/mK，相当于6000系列铝铸件。 理光表示，其6000系列是热交换器和轻型结构部件以及其他应用的理想选择。该公司计划专注于与客户的合作，以及新技术的进一步开发。 理光粘结剂喷射金属3D打印的复杂结构理光粘结剂喷射金属3D打印的复杂结构理光粘结剂喷射金属3D打印的复杂结构理光公司欧洲增材制造部经理表示：“我们相信与客户的对话和共同创造极其重要，技术开发也是如此。我们的目标是通过在英国特尔福德客户体验中心开展的活动，利用这项新开发的技术，加速与技术合作伙伴和客户的合作。” 3D打印技术参考注意到，虽然Desktop Metal与Exone在2021年均宣布突破了铝合金的粘结剂喷射3D打印制造，但两年过去，目前仍未看到关于其应用的案例报道。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.「理光」欲将粘结剂喷射金属3D打印用于铝合金散热器制造 2.喷墨技术专家——理光，推出粘结剂喷射金属3D打印机 3.2020-2023，粘结剂喷射金属3D打印批量制造技术迅猛发展 4.粘结剂喷射+CNC+智能分层，3DEO已发货超130万个3D打印零件

近日，西安交通大学卢秉恒院士、方学伟副教授团队基于定向能量沉积增材制造技术，发明了一种新的金属连续纤维增强复合材料的增材制造技术，首次实现了钛纤维增强铝（TFRA）构件的制造，综合力学性能得到大幅度提升。基于CMT增材技术，通过控制热量输入，可以保持钛纤维丝材不被熔化，实现了连续钛纤维丝材增强铝基复合材料的原位制造。相关研究成果于近期发表，作者团队来自西安交通大学、火箭军工程大学智剑实验室、苏州科技大学和温州大学。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445研究发现该技术制备的钛纤维丝材和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10μm，无明显裂纹倾向。与无纤维增强的铝合金构件相比，加入体积分数为10.5%的钛纤维后，钛纤维增强铝构件的屈服强度和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，钛纤维增强铝部件冲击性能得到提高，主要是由于铝基体冲击过程中的裂纹扩展被钛纤维丝材所阻断，因此其冲击功从原来的7.9J增加到18.0J，增加了128%。这项技术为制造连续纤维的高强度金属基复合材料提供了新的技术途经，同时为直接能量沉积增材制造技术的工程化应提供了新的发展方向。 1. 背景介绍 由于铝合金具有重量轻、易于成型和加工的优点，因此被广泛用于航空、船舶和机械制造等领域。提高铝合金材料综合力学性能是材料开发的主题之一，很多学者开展了相关研究，例如在铝合金材料中加入合金微量元素Zr和Er，能显著增加抗拉强度。然而，稀土元素Sc的高成本每0.1%的Sc含量大约增加3美元/公斤的成本，此外还需要热处理进行性能调控，该方法尚未广泛应用。通过在铝基合金中加入纤维或颗粒形成金属基复合材料，也是改善材料力学性能的重要方法。连续纤维增强铝基体可以显著提高材料沿纤维方向的强度，然而其主要制造方式是通过挤压铸造技术，仅能制备简单形状的零件。此外，通过引入强化剂如SiC、TiC、陶瓷颗粒、CNT和碳化物颗粒也是一种有效的方法。然而，研究结果表明，铝合金的硬度和强度可以明显提高，但会导致其塑性和韧性的降低。因此，有必要找到新的方法来同时提高强度和韧性。 增材制造技术具有高度的灵活性，可以为改善材料性能提供新的技术途经。其中，基于冷金属过渡（CMT）技术由于其高沉积率、低热量输入和有限的飞溅而吸引了广大研究学者的兴趣。然而，该技术在制造铝合金构件方面存在强度不足、气孔缺陷等问题。目前通过使用工艺优化和辅助工艺（层间变形）等方法，制备的材料机械强度基本可以满足板材的标准要求，但很难获得更优越的性能。本工作中，通过基于CMT电弧熔丝制造了钛纤维增强铝合金（TFRA）部件，该部件与未增强的沉积体相比，拉伸和冲击性能得到了大幅度提升。团队结合金相显微镜和扫描电子显微镜对铝基体和钛纤维增强体的微观结构以及结合界面进行了观测，深入研究了TFRA部件的强化和增韧机制。 2. 实验内容 如图1所示。西安交通大学方学伟团队在传统的CMT焊枪的末端位置安装了一个送丝辅助装置，该装置跟随焊枪同步移动，能够对Ti64焊丝起到导向定位作用，其中钛纤维丝材跟随机械臂运动，并无增加额外送丝装置。成形工艺采用福尼斯铝合金CMT模式，送丝速度为4.5 m/min，运动速度为1.8m/min。需要注意的是，过高的电弧热输入量会导致钛合金丝材发生熔化，因此需要严格控制电弧的电流和电压（75-80A和10-13V）。由于铝合金熔池的温度相对较低，而且先前凝固的铝合金层的导热系数高，熔池凝固快，因此TFRA构件中的钛合金丝材可以避免熔化。将TFRA和参考部件制备了金相、拉伸和冲击测试样品，取样图如图2所示。 图1 (a)纤维增强增材制造工艺原理图；(b)纤维增强增材制造装置实物图；(c)摆动打印路径示意图；(d)TFRA构件中Al5183和Ti64纤维的X射线测试结果图2 TFRA取样的示意图。(a) TFRA沉积体；(b) 冲击试样；(c) 金相试样；(d) 拉伸试样；(e) 密度测试试样 3. 组织表征 如图3（a）和（b）所示，由于电弧热源的不同分布，不同区域的Ti64丝材的微观组织发生了变化。SEM和EDS（见图4）结果显示在钛丝的上部、右侧和下部，界面宽度约为2-5μm，在这三个区域的中间位置都可以看到过渡变化趋势，表明在狭窄的界面层之间存在着原子迁移和扩散。 图3 (a)宏观形貌；(b)纤维增强钛合金丝材和铝合金基材的包围形貌；(c)电弧作用示意图 图4 丝材上、中、下位置的界面的SEM和EDS图。(a)、(d)和(g)分别是金属丝材料和铝合金基材的上、右、下侧界面，无裂纹或未熔合等缺陷。图5(b)、(e)和(h)分别是上、中、下区域的部分放大图；图5(c)、(f)和(i)是各区域元素组成的线扫描图铝合金沉积体的织构在加丝和未加丝前后无明显变化。由于钛合金丝材导热系数低，铝合金平均晶粒尺寸在区域I和区域II分别为21±6μm和23±6μm，这高于铝合金基体的平均晶粒尺寸（14±4μm）。Ti64丝材受电弧热输入影响后由<10-10>丝织构变为了<0001>取向。造成这种状况的主要原因是在CMT制造过程中，由于电弧热输入，钛合金丝材在相变温度以上（约1000℃）经历了较短的热处理过程，发生了相变，组织由等轴组织转变为了片层组织。 图5 EBSD分析结果. a）原始Ti64丝材；（b）Al5183铝合金沉积体；（c）TFRA沉积体的上部（区域I+部分区域II）；（d）TFRA沉积体的下部（区域II）；（e）TFRA沉积体的上部区域I的部分界面区域；（f）TFRA的下部区域II的部分界面区域 图6 铝合金在上部和下部的极图 . (a) 铝合金的上部，(b) 铝合金的下部。图7 Ti64合金的极图。(a) 原始丝材；(b) 钛合金线中的区域I；(c) 钛合金线中的区域II 4. 力学性能 4.1 拉伸性能 与未增强的铝构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维丝材，TFRA构件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%的数值，这与铝合金构件板的伸长率相当，表明该方法制备的复合材料具有良好的塑性。通过复合材料混合法则和有限元分析的验证，材料性能的提高主要是由于钛纤维丝材的引入。 图8 （a）Ti64、Al5183沉积体和TFRA的拉伸（应力-应变）曲线；（b）5系列铝合金电弧增材制造拉伸性能在拉伸试验过程中，试样呈现了双屈服过程。在OA阶段，当应变值小于或等于0.15%（图9），钛合金和铝合金都处于双弹性阶段，呈现出线性增长。而在AB阶段，随着应变值的增加，铝合金逐渐开始屈服。这时，钛合金仍处于弹性阶段。当超过B点时，钛纤维丝材和铝合金均发生屈服，随着应变的增加，其转变规律与铝合金的沉积状态相同。 图9 TFRA拉伸测试中工程应力-应变曲线 4.2 冲击性能 示波冲击测试结果显示，Al5183沉积体的载荷-距离关系在冲击载荷达到峰值之前是近似线性的，而TFRA构件在冲击载荷达到峰值之前出现了载荷变化。在冲击试验载荷-距离曲线中，存在三个偏移点，即w1、w2和w3。与非增强型构件相比，TFRA构件的冲击能量得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展被钛纤维所阻挡，在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。 图10 (a) Al5183 沉积体和 TFRA 的示波冲击结果图；(b) TFRA 在冲击过程中丝材作用的示意图 5. 断口形貌 在丝材表面部分区域发现了约为5-10μm的脆性过渡层。靠近Ti64丝材内部位置，断裂模式迅速从脆性断裂变为韧性断裂。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，并呈现出大量韧窝，表明钛纤维丝材在拉伸试验中保持了较好的塑性。 图11 (a) TFRA拉伸样品的断裂形貌；(b) 铝合金基体的断裂形貌；(c) 钛合金丝的边缘过渡区；(d) 钛合金丝纤维区-放射区的形貌；(e) 钛合金丝的纤维区形貌；(f) 钛合金丝放射区的形貌 图12为典型示波冲击测试试样的断口形貌，w1和w2丝在靠近缺口的位置断裂，而w3位于离冲击缺口较远的位置，w3丝材只是弯曲而未发生断裂。冲击实验后的样品没有完全分离，这与图10中显示的结果一致。由于钛纤维丝材的存在，TFRA表现出良好的韧性。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，说明钛纤维丝材表现出良好的塑性。丝材断裂截面上的元素主要是钛。在钛丝的侧表面，有大量的Al均匀地附着在上面，表明在界面上有相当多的Al扩散。然而，从铝基体的组成来看，断口上几乎没有Ti的存在，说明过渡层与钛丝有更好的结合。 图12 TFRA样品的冲击试验结果形貌。(a)冲击样品的断口形貌；(b)断线的断口形貌；(c)相应的成分扫描分布；(d)Ti元素分布；(e)Al元素分布；(f)V元素分布；(g)Mg元素分布 总结 在这项工作中，基于CMT电弧增材制造技术，首次创新的提出了一种连续纤维增强金属基复合材料的方法，并制备出了钛纤维增强铝合金（TFRA）构件，其强度和冲击韧性得到了大幅提高。研究发现通过控制电弧热输入量和采用摆动方式能够减少熔池温度从而避免钛合金丝材的熔化，钛合金线和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，化学成分呈梯度过渡，没有明显的开裂倾向。与非增强铝合金构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维，钛纤维增强铝部件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%，与铝合金构件板的伸长率相一致。此外，冲击功得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展能被钛丝材有效阻挡，因此在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。该技术目前为首次通过增材制造的方式实现了连续金属纤维增强双金属复合材料，能够为未来复合材料的制造提供新的技术思路。 本研究工作得到国家自然科学基金[52205414, 52275374]的资金支持。研究工作同时也得到了中国科协青年人才托举工程项目的资助…

铝合金因具比强度高、高导热、来源广、成本低等优点，成为汽车、航空航天、轨道交通等多领域应用最广泛的金属材料之一。随着增材制造技术的快速发展，多种类型的金属3D打印技术被用于铝合金成型研究和应用。本文内容，主要总结当前可用于铝合金3D打印的各种增材制造技术、特点及其应用方向。 1. 激光粉末床熔融 采用SLM/L-PBF工艺3D打印制造零件的最大优势在于能够制造高精度、具有良好表面质量的复杂几何结构。这些特点注定了其专有的应用领域，如具有更高换热效率的热交换器、轻量化的支架、蒙皮点阵结构等。这些零件采用3D打印制造相比传统工艺还减少了零件制造步骤、降低了成本并带来了更好的性能。 SLM制造高精度铝合金零件，散热器、拓扑优化构件、蒙皮点阵结构 采用该工艺制造的这些结构的零件几乎具有工艺排他性，即其他传统工艺或其他3D打印工艺均存在某些不足。但结构简单的零件则不需要使用这种工艺，成本是实现批量化制造的重要影响因素。因此，采用SLM/L-PBF工艺3D打印铝合金零件，多用于制造那些具有复杂结构且其他工艺难以实现的零件。 2. 电子束粉末床熔融 限于EBM技术本身的市场规模较小，关注度也受到了影响，但它是另一种可以打印铝合金的粉末床熔融技术。铝合金的电子束选区熔化 (EBM) 与激光熔化相比具有一些优势，如不受反射率的影响、零件表现出较少的热应力，对于易开裂的铝合金牌号打印具有较大优势。此外，真空条件还减少了材料氧化。因此，该工艺为铝合金的制造提供了巨大潜力。 3D打印技术参考通过清研智束了解到，采用EBM打印铝合金的塑性会远远好于SLM成型的，但强度会低一些，通过固溶和时效处理则可以改善。该技术打印铝合金还有一些不足在于零件的表面质量比较差，因此对于具有内流道及精密的零件可能并不适用，更合适制造传统加工难以制造的具有特殊复杂曲面的结构。此外，EBM技术的打印尺寸往往有限，结合其他因素，采用该技术制造铝合金零件的应用场景受到很大限制。 3. 粘结剂喷射3D打印 采用粘结剂喷射3D打印铝合金存在很大困难，这是因为其易氧化，且在后续的烧结过程中易发生反应，这是该工艺打印铝合金的一大挑战。实际上，铝合金也未广泛应用于MIM行业。不过，通过对整个生产流程和材料的优化，铝合金的粘结剂喷射3D打印取得了突破。 2021年，ExOne、Desktop Metal、理光均宣布实现了铝合金粘结剂喷射3D打印。在材料方面，Uniformity Labs开发了可进行高浓度烧结的低成本6061铝，Equispheres正在开发专为粘结剂喷射量身定制的AlSi10Mg粉末。在应用方面，则吸引了福特公司的参与。 理光使用粘结剂喷射3D打印的铝合金零件 铝合金粘结剂喷射3D打印工艺一旦成熟，市场应用潜力是巨大的，可用于电动汽车、电动飞机零部件3D打印制造，创造新的价值，但目前还未见到真实应用的报道。 4. 激光/电子束能量沉积工艺 激光能量沉积采用粉末或丝材实现金属材料的堆积成型，对于铝合金而言，由于其高导热、高反射、易氧化等因素，采用激光能量沉积制造实际上多有不便，但仍然有很多研究正在试图解决这些制造难题。 使用该技术进行铝合金沉积的较为知名的是工业级3D打印机生产商Optomec，其公司基于LENS定向能量沉积（DED）系统实现了铝合金修复。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。 该工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。除使用激光外，也可采用电子束实现铝合金熔丝增材制造。 5. 电弧增材制造 电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。目前，该工艺已成功用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。特别的，它可以处理对激光高度反射的金属，如铝合金和铜合金，能够满足大尺寸铝合金部件的生产需求。我国航天领域对电弧增材制造铝合金大型构件的应用有多项报道。 但3D打印技术参考此前曾介绍过，由于电弧具有方向性，难以像激光那样实现精准聚焦，因此熔化轨迹不精细、层堆积导致表面非常粗糙。成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈，因此该技术的使用需要配合后处理机加工。 电弧增材制造的铝合金零件 由于相比于激光更为高效的材料沉积效率，电弧沉积已经成为如今制造大型铝合金构件的重要增材制造技术，受到国内外航空航天领域用户的广泛重视、开发和应用。 6. 搅拌摩擦增材制造 搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊的原理发展而来，该工艺不需要高能热源也不需要气体保护，可以使用板材、旋转棒料和粉末规格的材料，利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。 该工艺适合制造铝合金大型构件，且具有很高的沉积速率，特别适合于航空航天领域，可用于制造燃料贮罐。 Meld Manufacturing采用搅拌摩擦焊制造的铝合金大型零件 美国Meld Manufacturing公司已经使用该工艺在大型卡车和国防装甲车辆的维修中获得应用。 7. 冷喷涂 冷喷涂增材制造技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。喷涂粒子在固态下碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层，同时对基体不形成热影响，可作为近净成形技术直接喷涂制备块材和零部件。 冷喷涂是实现铝合金沉积的重要制造技术，能够用于大尺寸、高端应用领域的零件修复。 冷喷涂用于铝合金零件修复 于2022年科创板上市的超卓航科是该技术的重要代表性企业，攻克了高强铝合金高压冷喷涂增材制造技术，制备的铝合金涂层可逐层堆叠，材质更致密，涂层强度提升至400MPa的水平，满足了高端应用修复要求，实现了冷喷涂增材制造技术从零部件腐蚀损伤再制造向结构件疲劳裂纹修复再制造的跨越。 8. 超声波能量沉积 超声波增材制造（UAM）是基于传统的 “超声波焊接”工艺，利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。 超声波增材制造采用金属薄片为材料，能够实现真正冶金学意义上的熔合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。通过结合增材和减材处理能力，UAM可以制造出深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其它复杂的几何形状，这些结构和形状通常无法使用传统减材制造工艺完成。此外，该技术的重要优势是能够制造多金属零件。 Fabrisonic采用UAM工艺3D打印的6061铝合金卫星热交换器 铝合金超声波增材制造技术还存在一些不足，由于目前超声波功率的限制，只能对厚度较小的铝箔进行快速成形，未来需要大幅提高超声波换能器的输出功率，实现大厚度和高强度金属板材的增材制造。 9.液态金属3D打印 液态金属3D打印解决方案通过将铝合金焊丝熔化，借助磁场精确的将液滴沉积在构建平台上并凝固，实现零件的叠层制造。这是一种基于熔融金属磁流体动力喷射的打印方法，通过利用磁场感应的压力梯度喷射液态金属液滴。根据3D打印技术参考查询到的资料，打印机控制器以预定的速率将金属丝送入陶瓷喷嘴，陶瓷喷嘴被电阻加热将铝丝熔化并在喷嘴中储存；喷嘴的周围围绕了电磁线圈，将电流脉冲施加到铜线圈上，可产生瞬态磁场，场感应与循环电流耦合，产生洛伦兹力，对熔融金属产生的压力可使液滴从喷嘴中喷出。 液态金属打印中的温度梯度和冷却速率并不像基于激光和电子束的3D打印工艺中那样极端。由于喷嘴和基板之间的间隔很小，液滴在撞击前有时间冷却。与后两种工艺相比，较小的温度梯度和冷却速率可能意味着遇到的缺陷更少，如孔隙率。然而，对于液态金属3D打印，仍然需要进行优化，以实现成本、分辨率和构建时间等因素的最佳组合。需要调整的参数包括温度、喷嘴尺寸、喷嘴与基板之间的距离。此外，还需要进行后处理来获得所需要的表面特征。构建的分辨率受液滴大小等因素的影响，影响液滴大小的因素又包括喷嘴的大小或直径、液滴喷射的速度以及单次射流是包含一个液滴还是多个液滴。 施乐液态金属3D打印的铝合金零件 2022年7月，施乐液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备。 END 本文总结了众多可用于铝合金3D打印的工艺类型特点及应用方向。总的来说，铝合金材料3D打印技术的类别较为明显——制造高精度小尺寸零件（以SLM为主）、低成本批量小尺寸零件（以Binder jetting为主）和快速高效制造大尺寸零件。通常，高效的沉积速率会对特征分辨率和复杂性产生不利影响，关键的配合表面、孔、法兰或关键特征，必须进行后处理加工，额外的后处理步骤会增加成本。 铝合金是仅次于钛和镍的第四大最受欢迎的合金，2021年出货量为249.7吨，与2020年相比增长了36.7%。到2030 年，它们将成为第三大最受欢迎的合金。如果粘结剂喷射技术被证明能够熟练地打印铝合金实现批量生产，那么铝需求的增长可能会更加显著。 注：本文内容由3D打印技术参考创作，转载须授权。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.无支撑金属3D打印：VELO3D成功探索全球范围可重复、无差别制造 2.NASA验证用于深空任务的第一台全尺寸3D打印旋转爆轰火箭发动机 3.高性能铝合金3D打印粉末之宝航多级别材料与应用场景 4.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件

对新型轻质材料和热交换效率的提高在很多领域都有具有极大需求，如航空航天、汽车、半导体领域等，尤其在散热器应用中，高效的换热效率有助于提高能源效率和输出功率。以粉末床熔融为代表的金属3D打印工艺为制造具有更大散热面积的复杂结构散热器带来了可能，但其生产效率和成本成为限制应用的主要障碍。 那么，号称能够实现低成本、大规模制造的粘结剂喷射金属3D打印能否为散热器的制造提供可能？ 2022年11月，理光扩建了其位于英国特尔福德的客户体验中心，它将特别有利于那些考虑将金属粘结剂喷射3D打印技术用于电动汽车 (EV)、电动飞机等领域的客户，以创造新的价值，如提高电子元件（如电机和电池）的能源效率。这个致力于增材制造的客户体验中心将加速理光与制造业客户和合作伙伴的共同创造，同时帮助理光加深对客户潜在应用痛点的理解，从而提供包括3D打印机和生产工作流程在内的整体解决方案。 不使用激光，3D打印低成本制造 理光于2021年11月推出了能够打印铝合金的粘结剂喷射金属3D打印机，能够制造现有工艺无法制造的形状复杂的铝质零件，如轻量化零件、高性能热交换零件等。其目标是在其整个价值链中实现温室气体零排放，使客户能够通过使用理光的3D打印机开发高能效产品，从而为实现零碳社会做出贡献。 理光声称其3D打印技术可以批量生产铝合金部件，而铝合金因导热性好且重量轻而被广泛使用，更是制造散热器的重要材料。理光的金属3D打印技术可以生产形状更复杂的金属部件，如复杂的狭窄管道。使用铸造和切割等传统金属加工方法无法生产此类零件，而使用基于激光的3D打印则成本很高。 理光粘结剂喷射金属3D打印的铝合金零件 理光一直在开发高清工业喷墨打印头，在喷射类3D打印技术中，理光喷头的占有率非常高，能够喷射大尺寸墨滴的Gen4有非常大的应用前景，Stratasys的Polyjet技术的工业级3D打印机产品全部应用的理光喷头。通过将这些技术用于金属3D打印技术的开发，理光可以在高速的情况下可靠的生产金属零件。 克服两点困难 脱脂烧结，是粘结剂喷射金属3D打印工艺的重要步骤。对于铝质零件来说，由于粉末表面有很强的表面氧化物，因此阻碍了铝粉的烧结，这也是很长一段时间内均无法使用该工艺成型制造铝合金的原因。为了解决这个问题，理光开发了一种具有特殊配方的铝合金粉末、粘结剂以及适合这些条件的烧结方法。 理光铝合金粘结剂喷射金属3D打印烧结流程 粉末清理，也是粘结剂喷射金属3D打印工艺的重要环节。在打印完成和固化之后，零件需要从粉末中清理出来。然而，当零件的形状非常复杂时，刷子和气枪可能无法清除所有粉末。理光一直在开发一种技术，可以通过浸入溶剂中轻松去除多余的粉末。因此，理光的技术支持制造结构非常复杂的零件（如狭窄的内部通道）。   通过溶液去除管道内的粉末 理光可打印复杂的狭窄管道 理光粘结剂喷射金属3D打印的复杂结构具有散热应用潜力 理光株式会社旗下的增材制造业务中心总经理表示，许多产品存在技术问题，如散热问题或减重限制，它们无法充分发挥作用。理光希望其独特的铝合金粘结剂喷射3D打印技术将为解决客户面临的这些问题做出重大贡献。随着客户体验中心的开放，理光希望加快与客户的共同创造，为客户产品提高附加值，为零碳社会做出重大贡献。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.盘点：2022年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破 2.最新市场格局：粘结剂喷射金属3D打印，将塑造一个蓬勃发展的市场 3.富士康粘结剂喷射金属3D打印项目或受挫，合作方陷控制权争夺 4.弥补短板，MIM制造商将粘结剂喷射金属3D打印技术纳入生产体系

3D打印技术的进步改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。然而，材料是热交换器3D打印需要考虑的另一个关键问题。近日，3D打印技术参考注意到，国内领先的铝合金3D打印材料制造商江西宝航新材料有限公司，向市场发布了一款高导热铝合金3D打印材料。该产品被命名为HC 200，以显示其不低于200W/(m·K)的超高导热能力。 金属导热原理、材料及3D打印固有缺陷 金属导热的本质是金属内部拥有可自由移动的电子。当金属的一部分接收到热量时，受热部分的自由电子能量增加，运动加剧，不断跟金属离子碰撞而交换能量，从而把热量从一部分传递到另一部分。金属要获得更高的导热能力，必然要求电子在金属内部是“畅通无阻”，亦即金属材料内部的缺陷要足够少，以及受到杂质或其他相的阻碍要少。这就对材料的成分控制、制备工艺提出了非常高的要求。 在铝合金材料中，拥有高导热系数（尤其是高于200）的牌号非常有限，最常用的是6063铝合金。6063是一种AlMg系变形铝合金，主要合金元素包含：Al、Mg、Cr、Cu、Si等。其导热系数高于200 W/(m· K)，一般为210，经T6热处理后具有不低于160MPa的屈服强度和8%的延伸率。且6063可塑性较好，能够进行阳极氧化，因此是各型散热器的首选材料。而在其他现有牌号的铝合金材料中，导热系数没有高于200的。纯铝由于不含有其他合金元素，导热系数达到230W/(m·K)。 易加三维为方程式赛车队3D打印的热交换器 尽管6063铝合金是一种非常好的材料，但其并不能直接用于金属3D打印。该合金是一种变形系铝合金，适用于铸造工艺过程，并不适用于高冷却速率的SLM选区激光熔化3D打印过程。最终的结果是，采用SLM工艺对6063合金粉末进行打印时，会产生大大小小的微裂纹，材料无法使用。目前亦有一些研究人员通过对6063合金进行成分改性或添加纳米相，试图使之可打印，也取得了一些成果，但并未得到商用。目前市场上应用非常广泛的AlSi10Mg材料，尽管其导热系数亦达到了不低的140W/(m· K)，但对于有更高导热能力要求的应用场合，AlSi10Mg则无能为力。 高性能散热3D打印铝合金获得突破 为了开发高导热高性能的可打印铝合金3D打印材料，宝航团队历时一年多自主研发，终于成功实现了双两百（热导率超过200 W/(m·K) 且抗拉强度高于200MPa）的HC 200高导热铝的材料开发。下表是HC200 与6063和AlSi10Mg的材料性能对比： 凭借超高的性能，该材料适用于对散热能力有较高要求的轻质复杂结构件或功能件，特别适用于新型散热器（尤其是微通道散热器）的设计和开发。凭借创新的材料解决方案，再加上金属3D打印的技术优势，宝航希望能为新型散热器的产品开发贡献力量。 出于专利的考虑，宝航此次推出的HC 200并不向客户直接提供粉末材料。宝航将基于客户需求提供高导热铝的打印服务，宝航期待与对可打印高导热铝解决方案感兴趣的客户合作，包括但不限于：高校、研究院所、企业以及新型散热器的设计者、开发者等。 如需更多信息，欢迎联系：刘经理，15210565071（同微信）。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术 2.中国汽车热交换器市场与3D打印制造潜力 3.视频：金属3D打印铜—钢双金属热交换器 4.国产高性能3D打印铝合金再获突破，具有良好工艺窗口，高温力学性能稳定

在《一种新型「氩/氦」保护气体，显著减少金属3D打印过程中的飞溅和缺陷风险》一文中，3D打印技术参考介绍了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。 将保护气体引入金属3D打印制造工艺优化研究，由全球最大的工业气体生产商林德集团所领导，并逐渐形成了一定的影响力。近日，3D打印技术参考注意到该公司已经推出了多项用于3D打印领域的气体技术——分别为优化粉末床激光熔融（LPBF）打印工艺、提升粘结剂喷射（BJ）和挤出工艺后烧结质量而开发的定制气体混合物，用于金属粉末生产的气体雾化解决方案以及直接可用的镍钛合金打印策略。 优化保护气体组成，提升打印质量 成分缺陷是金属增材制造过程中的重要缺陷种类，其来源于氧化、合金元素流失和微观偏析的影响。其中，氧化主要受到粉末中含氧量及熔池演变过程中氧气参与所影响。氧化现象会促进金属凝固过程中气孔的形成与扩张，进而诱发裂纹，显著影响PBF成形部件的力学性能和疲劳性能。因此，需严格控制原始粉末纯度与成型仓内氧含量，尽量避免氧化现象出现。然而即使对打印室气氛进行最严格的净化，仍有可能存在少量杂质。 粉末、激光和烟尘相互作用 对于LPBF工艺而言，当前主流的设备品牌多采用直接通入惰性气体使打印室的氧气含量达到要求的标准，少数品牌如3D Systems则采用先抽真空再通惰性气体的方式，氧气含量可以保持在25ppm以下。 林德推出的ADDvance O2 Precision氧浓度检测技术能够对打印室内的气体气氛进行连续分析，能够识别出低至10ppm的O2浓度，从而启动自动吹扫过程以保持最佳保护条件。 ADDvance® Laser230工艺气体是林德专为优化粉末床激光熔融 (LPBF) 工艺中的打印结果而开发的氩氦定制气体混合物，可将颗粒再沉积、孔隙率和粉末损失降低多达20%，同时可以减少烟雾形成并加快循环时间，使打印过程更安全并降低每个零件的成本。它还可以延长设备的维护周期，使过滤器更少的更换。此外，该混合气体与所打印的材料无关，是晶格结构3D打印的理想选择。 ADDvance Sinter250是一种用于粘结剂喷射及金属挤出工艺的气体解决方案，可优化烧结气氛。它是氩气和氢气的混合物，有助于保障不锈钢粉末打印部件的完整性和强度。林德还为Desktop Metal 的Studio System金属桌面挤出系统开发了专门的套件。 混合气体优化打印过程案例 合金元素流失也是造成成分缺陷的重要原因，LPBF部件中合金元素流失主要发生在熔池形成至凝固阶段。在此阶段，熔池过热可能造成金属或合金中低熔点或低汽压的合金元素的损失，如铝合金成形过程中的Mg元素损失和NiTi合金中的Ni损失。合金元素损失可能会导致成分严重偏离原始粉末成分，进而影响成形零件的性能。 镍钛合金因具有“形状记忆效应”在增材制造技术领域被广泛研究，但在激光打印该材料时，镍的蒸发会导致镍/钛比率的降低，从而改变零件的形状转变温度；此外，材料内部的氧气吸收也会导致该结果。这会对形状记忆产生负面影响并影响预期应用的整体性能；打印件的表面氧化也决定了需要大量的后处理。为避免这些问题，减少打印室中的氧气含量至关重要。为确保严格控制氧气水平，林德和3D Medlab 合作使用ADDvance O2精密氧气监测系统和ADDvance Laser230工艺气体混合物优化了镍钛合金的打印气氛。 当氧气水平没有得到严格控制时，镍钛零件可能会发生变色 林德还与EOS就ADDvance O2精密氧气监测系统的保护能力进行了合作，双方以铝合金为打印材料，证明了该产品有助于实现明确和高度准确的结果，对于推进合金的优化、可重复和可靠的增材制造具有意义。 Ti64晶格结构仅使用氩气保护时的飞溅（左图）与使用氩氦气混合物打印时的的飞溅（右图） 林德还与3D Medlab研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅，可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。 END 3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也可能会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。林德公司通过研究证明了优化的保护气体是会对打印质量造成影响，但就当前主流的关注情况来看，该因素似乎还未受到重视，并被视为影响高质量制造的关键因素。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.钨金属的不同3D打印工艺，优势互补、潜力无限 2.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 3.设计指南：基于激光烧结3D打印技术的应用和设计技巧 4.航天六院借助3D打印研制我国新型火箭发动机，应用发动机数量达50余种

10月31日，长征五号B运载火箭托举中国空间站梦天实验舱精确进入预定轨道。在发射成功之际，3D打印技术参考注意到西工大发布了一则消息，并有如下描述：   3D打印技术参考查找了大量文献，发现林鑫教授课题组在2019年发表了多篇关于2219铝合金电弧增材制造的研究文章。虽不能确认该型铝合金就是西工大所描述的为梦天舱和长五B文所用，但笔者却发现该材料在航天领域有极重要的价值。 2219铝合金在航天领域的重要应用 高强度铝合金由于低密度、优异的机械性能、良好的成形性和断裂韧性，在航空和航天工业中具有广泛的应用和不可替代的地位。据估算，火箭用的铝合金约占金属结构总净质量的95%，而此前发射的问天实验舱中的金属材料，75%以上的材料质量为铝合金。 2219铝合金除具有铝合金的通用优点外，还具备比其他材料更优异的低温性能，它的各项性能均随温度的下降而同步上升，但同时它还具有优异的高温性能，能够在-250至300℃范围内工作。这些特殊的物理性能使其成为一种经久不衰的制造火箭与航天器部件的重要材料，被广泛用于制造低温罐、机身或航天飞行器外壳等飞行器结构，我国长征五号所使用的贮箱材料就是2219铝合金。此外，3D打印技术参考还查询到，2021年，航天科技集团一院211厂研制的国内首个2219铝合金3.35米直径共底贮箱成功下架。因此，该型铝合金是火箭液氢与液氧贮罐的重要制造材料。 2219铝合金电弧增材制造 鉴于航空航天工业的快速发展，对铝合金的制造提出了新的要求，如设计灵活性、复杂的几何形状、大型部件、高效率和低成本等。制造铝合金部件的传统工艺不能满足这些新需求，增材制造作为一种有前途的制造技术，由于其在自由形式设计、降低材料成本和高效率制造等方面的优势，在世界范围内受到了广泛关注。  电弧增材制造（WAAM）由于高沉积效率、高材料利用率和低设备成本的优点，在工业和学术界引起了极大的兴趣。目前，WAAM已成功用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。特别的，WAAM工艺可以处理对激光高度反射的金属，如铝合金和铜合金。此外，电弧增材制造工艺能满足大尺寸铝合金部件的生产需求。如今，航空航天工业对应用WAAM技术制造高强度铝合金结构的要求越来越高。 使用电弧增材制造零件（来自voestalpine） 到目前为止，许多不同系列铝合金的电弧增材制造试验已经成功进行，例如Al-Cu（2xxx系列）、Al-Mg（5xxx系列）、Al-Si（4xxx系列）和Al-Zn（7xxx系列）。然而，由于湍流熔池和焊接缺陷，使用WAAM制造Al-Mg-Si(6xxx)和Al-Zn(7xxx)合金一直具有挑战性。对于实际工业应用，WAAM沉积的Al-Mg(5xxx)合金的强度相对较低，尽管采用了许多创新方法来改善WAAM获得的Al-Mg(5xxx)合金的性能，但这些合金由于强度低而难以满足航空航天工业的需求。 WAAM流程示意图以及测试样品的位置和尺寸（来自林鑫教授团队相关论文） 电弧增材制造的铝合金零件（来自10.1016/j.jmrt.2021.04.076） 林鑫教授团队当时的论文指出，关于WAAM加工铝合金的强化规律和显微组织演变的研究很少发表。为提高合金性能，应充分了解强化相的析出规律和组织演化特征。此外，宏观形貌、晶粒结构、显微组织不均匀性和孔隙率也是WAAM工艺凝固过程阶段需要优化的重要因素。其团队研究了电弧增材制造2219铝合金微观结构的形成和演变机制，这对实现更高和各向同性的机械性能至关重要。 2219铝合金是一种重要的时效硬化铝铜合金，但在此前，只有少数关于WAAM制造Al-Cu合金的研究。林鑫教授团队研究的2219铝合金主要成分包括Cu、Mn、Ti、Zr，向Al中加Cu的主要目的是提高强度，由于2219铝合金是一种典型的析出强化材料，低温强度的增加是靠热处理；而高温强度的增加则是通过Cu与Mn、Ti、Zr等形成的化合物，这些化合物都有细化晶粒、组织和改善合金性能的作用。 END 除采用电弧增材制造高强韧铝合金外，林鑫教授团队还对粉末床激光熔融制造高强韧铝合金发表过重要论文。通过Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的试样经时效热处理后，合金的屈服强度提高到了487±2 MPa, 抗拉强度提高到了542±3 MPa，断后伸长为7.4±0.7%，综合力学性能优于大多数L-PBF加工的Al-Si(Mg)合金、2xxx、7xxx及Al-Mg-Sc-Zr系列铝合金和一些锻造2024铝合金，并可与高强度锻造7075铝合金相媲美。 低成本、高效率及自动化高强铝合金工艺技术的发展得到航空航天的重视，大型铝合金3D打印技术已经成为目前航空航天关注的重点。3D打印技术作为我国的一个前瞻战略性技术，对工程应用领域的发展有至关重要的作用。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西工大顶刊：增材制造高强韧铝合金！异质微观组织+多种强化机制！ 2.深度解读！航空航天高强铝合金材料应用现状及发展趋势 3.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件 4.材料盘点：10款具有特殊性能的3D打印铝合金，6款来自国内

超高强铝合金一般指屈服强度在500MPa以上的铝合金，常见的就是牌号为7系列的超硬铝。该系列铝合金最初是在航空航天的应用背景下研发的，目前已发展成为世界各国军、民用飞机的主要结构材料，在飞机结构件中占到70-80%比重，并在很多领域替代了昂贵的钛合金，成为不可缺少的重要轻质结构材料。随着现代航空航天领域，核工业，交通运输业的持续发展，对结构件的综合性能提出了更高的要求，集质轻、高强、高韧、高断裂韧性、抗应力腐蚀能力于一身的新一代超高强铝合金无疑是首选方案。 航空航天用铝合金发展背景及现状 铝合金作为一种较为成熟的轻质高强合金材料在航空航天中的使用量巨大，铝合金材料一般作为结构材料使用，比钢有更高的比强度和更优异的加工性能。航空航天领域主要发展高强、高韧性和耐腐蚀性强的铝合金材料以满足航空航天严苛的使用条件，应用比较多的为2000系和7000系铝合金，在高强铝合金的基础上进行工艺的改良和材料配方的改进，通过粉末冶金、喷射成型等创新的生产工艺发展性能更优异的轻质铝合金材料，开展铝基复合材料及超塑性铝合金材料相关研究。在轻质高强铝合金的发展应用过程中，应力腐蚀问题是伴随铝合金的整个应用发展史之中的主要问题，如何削弱或延缓高强度铝合金在使用过程中的应力腐蚀问题，成为铝合金应用过程中的主要难题。在航空航天领域应用较多的有2000系铝合金的主体成分主要是铝（Al）、铜（Cu）、镁（Mg)3种元素，7000系的铝合金主要成分是Al、锌（Zn）、Mg、Cu元素，还有一些通过加入一些特殊元素获得的高性能（高强、高韧、耐腐蚀性能）铝合金材料。目前，获得高性能铝合金材料的主要方法是通过改变熔铸条件实现。2000系铝合金主要以Cu为主要的合金元素，铝合金材料中加入适量的Cu元素制备的合金在强度、耐热性、加工性能上会有更好的提升，但耐腐蚀性能会降低，因为Cu元素的引入会使铝合金内部更容易呈现晶间腐蚀，材料组成元素直接影响着铝合金的性能。因此，对于2000系的铝合金一般都在表面做纯铝或6000系铝合金包覆处理作为本体铝合金的电化学保护膜，提高其耐腐蚀的性能。后来学者对于不同牌号铝合金提高应力腐蚀性能的方法进行了很多研究，在一定程度上延缓了铝合金的应力腐蚀的程度。铝合金材料是确保飞机安全飞行的重要部件材料，不同部位铝合金材料的选型及性能预测直接关系到飞机的安全可靠性，预测航空铝合金材料的失效问题直接关系到生命安全，需要引起广泛重视。性能优异的高强铝合金主要应用在航空航天及军事领域，因为航空航天及军用类产品对减重的要求极高，高比强度的材料是航空航天的优选材料，在飞机用铝材中，7000系高强高韧铝合金和2000系中强高韧铝合金起着重要作用。1.国外航空航天用铝合金材料发展情况2000系铝合金的耐温性优良，主要用于航空航天耐高温部件中，优异的耐温性主要是因为2000系铝合金内部具有复杂的化学组成和相组成，能够在高温状态下保持良好的强度稳定性和工艺性能，多用于150～250℃温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件。2000系合金中存在铁（Fe）和硅（Si）的杂质，这2种杂质的存在会生出粗大的杂质相，严重影响断裂韧性和短横向力学性能。因此，研究人员从调整合金元素含量和降低Fe、Si杂质相的考虑出发，提高2000系铝合金的强度和韧性并通过加入镍（Ni）元素的方法提高铝合金的耐热性能，通过调节Cu的含量来改善铝合金材料的焊接性能。对于薄壁的铝合金材料主要提高其耐损伤容限性能，对于厚壁的铝合金材料主要提高其耐应力腐蚀的性能和韧性，通过铝合金最后的应用场合的不同调节元素含量和热处理方法找到最优异的匹配材料。7000系铝合金以Zn最为主要添加元素，通过热处理可强化铝合金的韧性，合金中加入Mg元素后可以提高它的热变形性能并扩大淬火范围，改变热处理条件可以改善强度、焊接性和耐腐蚀性，但Mg元素的引入使得铝合金的应力腐蚀倾向严重，因此，7000系铝合金属于高强可焊且应力腐蚀敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al/Zn/Mg/Cu合金则具有更高的强度，属于超高强铝合金，屈服强度与拉伸强度十分接近，屈强比和比强度都很高，但塑性较差，且在高温下的强度较低，经常用于使用温度低于120℃的承力结构件。7000系铝合金的加工性能优异、耐蚀性和高韧性使其成为航空航天的主要结构材料。国际上早在19世纪20年代就认识到了铝合金中加入Mg、Zn后共同热处理具有强化效果，但是出现较严重的应力腐蚀开裂问题，可通过添加微量的铬（Cr）、锰（Mn）、钼（Mo）改善应力腐蚀开裂的问题，并实现在舰载战斗机上的大量应用。尤其在1943年美国开发的7075合金首次应用到B-29型轰炸机上，给飞机结构和性能带来了革命性的变化，随后7000系铝合金如雨后春笋一样被各国效仿及开发，被大量应用于高端制造产品中。20世纪60年代美国在7075铝合金的基础上进行改良，开发出了更强、更韧更抗应力腐蚀的7050合金，主要用到F-18的抗压结构件中，随后又开发出了7150合金，用于制造波音757/767及空客A301等民用大飞机的上翼结构。20世纪80年代，美国等在7150基础上成功研制7055合金，强度比7150高约10%，具有较高的综合性能，用于波音777客机的上翼蒙皮、机翼桁条。为提高安全性及可靠性，飞机设计选材由追求高静强度法逐渐向高损伤容限法转变，要求铝合金材料应该具备更高的断裂韧性值和更高的抗应力腐蚀开裂值，在铝合金材料的设计和热处理工艺研究中都需要着重考虑提高断裂韧性值和抗应力腐蚀开裂值。7系铝合金在应用过程中的主要问题是高强度与应力腐蚀敏感性的矛盾关系，学者们做出了大量研发来解决高强度铝合金应力腐蚀敏感性强的问题，通过改变元素组成、热处理工艺及形变热处理等方法不断改善7系铝合金的应力腐蚀敏感性，各国都做出了大量的研究，积累了大量的数据，也取得了一定的成果。大体上铝合金的发展方向是从高强、低韧到高强、高韧再到高强、高韧、耐腐蚀发展的，热处理状态开发沿着T6到T73到T76到T736到T77发展，合金化程度越来越高，Fe、Si等杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理，最终综合提升合金整体性能。2.国内铝合金研制现状我国对于高强高韧铝合金的研究起步较晚，始于20世纪60年代，起初主要以仿制美国为主，主要对美国的2000系和7000系合金进行了仿制，有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近些年来，我国不断加大高强铝合金的研发力度，集中优势科研院所和企业形成合力，组织广西南南铝加工有限公司、东北轻合金有限责任公司、中南大学、东北大学、上海交通大学、北京航空材料研究院、有色金属院等完成了一系列国家重大课题，取得了较好的成果，基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力，满足国家重大工程对高强铝合金材料的应用需求。3.我国与国际先进水平的差距及发展方向在我国，铝合金材料虽然经过多年发展，但与国际先进水平相比仍存在不小的差距。具体表现为：一是产品多为仿制，全面自主知识产权的铝合金材料还没有，还未建立生产铝合金材料的标准体系；二是基础研究薄弱，开发时间短，数据积累不足；三是生产加工设备落后，产品质量管控体系不健全。鉴于此，未来我国铝合金材料的发展方向应为：1）改变组成元素含量和配比；2）开发对应不同性能需求的铝合金材料配方，通过改变凝固外场条件，提高合金元素固溶量，改善铝合金性能，通过添加如锆（Zr）、钪（Sc）、铒（Er）等元素采用微合金化方法改善铝合金性能； 3）进一步提纯合金，减少Fe、Si等杂质，控制杂质含量，生产高韧性高强度铝合金材料；4）研发新的热处理工艺技术，对不同性能要求的铝合金建立不同的热处理工艺卡片，建立相应的技术标准规范体系，保证不同牌号铝合金的工艺稳定性。 高强铝合金在航空航天领域应用情况 铝合金因其优异的性能，成为航空航天装备的主要结构材料，铝合金的发展过程主要经历了5代。 第1代铝合金，通过时效硬化处理得到高静强度的铝合金，主要应用在运—5和轰—5中；第2代铝合金，通过过时效处理工艺得到的高强耐蚀的铝合金，主要应用在运—6、轰—6、歼—11、运—8等军机中；第3代铝合金，以高纯为基础，生产高纯度的铝合金，具有高强高韧耐蚀的优异性能，主要应用到歼—10、枭龙、ARJ21中；第4代铝合金，通过精确控制多尺度第2相为基础的工艺得到超强高韧耐腐蚀抗疲劳的铝合金，主要用在ARJ21和大运机中；第5代铝合金在研产品，研制具有高淬透性的高综合性能铝合金，主要应用在大型航空航天运载工具中。 随着材料技术的不断攻关，高性能材料在航空航天工艺的发展中不断迭代，新材料的涌现不断倒逼传统材料技术前进，铝材在性能、规格方面面临着极大的挑战，要求铝合金材料更高强、更轻质、更可靠和更长寿，具备极端环境下的服役性能、高强高韧耐腐蚀耐疲劳，加工后低残余应力的大规格高性能材料。通过控制热处理工艺、精确调控材料微观组织等方法来提高铝合金的综合性能，满足航空航天工业发展对材料的苛刻要求。这就需要我们应用最新的国际国内的科研成果，加工高精密的铝合金材料（薄板连铸连轧、电磁铸造、快速凝固、流变铸造、喷射沉积、深冷加工等工艺）满足高端应用场景对高强铝合金的需求。 1.铝合金在航空领域的主要应用在航空装备中，不同部位对于铝合金材料的选材具有精确的选型要求。飞机上不同部位应用的铝合金主要有2X24,7X75,7X5X等，随着铝合金材料工艺的不断改进，在飞机不同部位的应用牌号也在不断调整（见表1）。 表1 飞机不同部位铝合金牌号应用发展历程 高强铝合金材料在波音747客机上的应用主要是采用7075T6和2024T3材料较多。在波音777客机上采用的主要铝合金牌号为7055T77、7150T77和2X24T3；在空客A380上用的先进铝合金为7055/7449/7085/2024/6013/5076等合金，下机身壁板及上机身壁板都采用了铝合金材料，其他大部分则是采用碳纤维复合材料进行减重。国产大飞机ARJ21中主要应用的铝合金材料牌号主要为2X24、7050、7175、7075等。不管在在民机还是军机中用材结构比例仍然主要以铝合金材料为主，铝合金在材料成本、工艺稳定性、综合力学性能等方面仍具有不可替代的优势。航空领域飞机的铝合金应用牌号及热处理状态汇总见表2。 表2 飞机常用铝合金一览表 2.铝合金在航天领域的应用铝合金在航空航天领域的运载火箭上应用较多，主要牌号是7075、20X4、2219等，发动机装置、主体部件、旋转台、遥控部分等主要是铝合金7075，如液氧槽主要为2219，20X4主要用于卫星流线型外罩和控温阀部件等。此外，载人飞行器的骨架是用2024和7075铝合金制作而成，因为这两种铝合金强度高，质量轻，厚度薄。铝合金板材在这些物体上也屡被运用，比如防护板、安全装置、推进器等。 航空铝合金材料工艺技术 铝合金最后的终端使用场景与整个生产工艺过程直接相关，不同的应用场景取决于生产工艺即加工工艺的过程控制。1.热处理工艺铝合金材料的综合性能提升出材料成分配比，很大程度上取决于生产过程中的工艺技术参数控制，适宜的热处理方式可以很大程度上影响铝合金材料的综合性能，因此对于不同性能要求的铝合金应研发适宜的热处理技术以提高铝合金材料的综合性能。采用高温均匀化退火工艺处理铝合金，可以使时效强化相和残留的非平衡相最大程度固溶到基体中，并使其均匀分布，提高固溶后的固溶体浓度，达到提高时效强化的效果，同时针对大型铝合金锻件的组合热处理工艺即热变形与中间高温均匀化及高温固溶处理工艺进行整个热处理过程的参数设计，可以在提高强度的同时提高应力腐蚀性能。一般铝合金的固溶处理工艺分为2种：常规固溶处理和复合固溶处理，其中，复合固溶处理是指强化固溶及高温预析出的处理。在前期的铸锭阶段采用常温处理+低温处理的均匀化退火工艺，可控制过渡族元素的析出，而过渡族元素对再结晶有明显的抑制作用，可一定程度上提高合金亚结构强化效果，进而提高合金的断裂韧性及抗应力腐蚀性能并能够有效减弱材料的各向异性。高强铝合金的热处理中的时效处理对铝合金的性能也有着至关重要的作用，时效处理主要有3种形式，峰值时效、双极时效和回归再时效。研制时效处理方式的目标也是使铝合金更高强、更高韧、更高的耐腐蚀和抗疲劳等高综合性能，热处理状态开发则沿着T6到T73到T76到T736到T77的方向发展，时效处理方式则是从峰值时效发展到过时效再到回归再时效处理进行顺序发展。时效温度和时间对时效强化的效果都有影响，不同的时效处理工艺可以直接影响铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率及晶间腐蚀等级。早在1989年，美国Alcoa公司用T77的热处理状态命名注册并申报了第一个RRA处理工艺规范，这也是首个可工业应用的热处理工艺规范，此工艺规范可用作7150铝合金的热处理工艺操作指导，此种工艺生产的7150铝合金厚板和挤压件被大量应用到C—17军用运输机上，在我国，采用T77热处理技术的高性能铝合金关键技术还在研制过程中，尚未产业化应用。热处理过程中还包括形变热处理，形变热处理是通过热塑性变形和热处理相结合的工艺过程，采用形变热处理可用于改善过渡沉淀相的分布状态及合金内部的精细结构，合理的形变热处理可以使铝合金获得较高的强韧性及耐腐蚀性。形变热处理工艺早在1981年即被提出出来，主要应用于宇航结构合金，性变热处理对于改善7050、7475合金力学性能具有明显的效果。在我国，铝合金的热处理工艺仅有100余种，距离国外的370余种还有很大的距离，应加大开发热处理工艺的力度，缩短铝合金基础热处理技术于发达国家的距离。2.高强铝合金挤压型材生产工艺高强铝合金在应用过程中有多种形式，主要有铝型材、铝板、3D打印粉末等形式。其中，铝合金型材具有质轻高强、焊接工艺成熟等优异特点，铝型材可作为大型的结构承载件在航空航天和轨道交通领域大量应用。铝型材的生产工艺主要采用连续拉挤成型工艺以提高生产效率并进行一定的预应力取向，提高型材的力学性能。在铝型材的挤压过程中，多挤压周期的连续挤压方式中，相邻2根挤压坯料间会形成界面，使得该界面在型材中的延伸长度增加，因为横向焊缝会大大影响铝型材的使用寿命，导致疲劳寿命急剧下降。3.高强铝合金3D打印工艺低成本、高效率及自动化高强铝合金工艺技术的发展得到航空航天的重视，大型铝合金或钛合金3D打印技术为目前航空航天关注的重点。3D打印技术作为我国的一个前瞻战略性技术，对工程应用领域的发展有至关重要的作用。在航空航天领域，铝合金虽然已经有大量的应用，但实际应用过程中相比钛合金和复合材料还有一定的弊端，如铝合金暴露在高于160℃的应用中力学性能及耐蚀、疲劳性能会下降，且随使用时间的延长会软化和老化，因此提升铝合金在极端工况的综合性能仍需开展大量工作。通过3D打印技术的不断成熟，对高强铝合金粉体的开发也不断进行，新型的铝合金材料不断涌现，持续刷新性能新高。如由Amaero和澳大利亚莫纳什大学共同研发的Amaero HOT Al这种新型的铝合金在3D打印后再继续进行热处理和时效硬化后，可以实现在260℃下长时间的稳定，开发商业化的高强度铝合金新型材料适应3D打印工艺以实现铝合金的智能制造性能可控及高复杂形状成为未来发展的主要趋势。铝合金的3D打印发展前景可期，主要应用于航空航天及军工领域。 结语 随着高强轻质铝合金材料成型技术和加工技术不断发展进步，本体材料性能不断得到提升，加工成型工艺不断提升，在高端制造业发挥了轻质金属的典型优势，但是仍然存在一系列的问题，需要在现有基础上进一步开展如下工作：一是不断加大高强铝合金材料科学基础技术的研发，从材料成分组成、热处理工艺、加工工艺等诸多方面进行高强铝合金材料性能的提升； 二是加强对高强铝合金生产设备的开发研制，使铝合金的传统工艺向智能制造工艺快速转变； 三是加强国际技术合作，借鉴国外先进的技术开发经验及研发理念。 注：本文内容来自前沿材料、中国腐蚀与防护网、铝精深加工。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.材料盘点：10款具有特殊性能的3D打印铝合金，6款来自国内 2.深度好文：讲透3D打印高强铝合金究竟是什么材料 3.国产高性能3D打印铝合金再获突破，具有良好工艺窗口，高温力学性能稳定 4.视频：国家增材院10米超大型铝合金火箭连接环3D打印制造技术