一种新型3D打印铝合金，打印态即达高性能，还不易变形开裂

3D打印技术参考注意到，来自英国伦敦大学的一个研究团队，近日开发出一种新型的3D打印铝合金材料，成分包括Al、Ni、Ce、Mn、Fe。与 AlSi10Mg等现有标准材料不同，这种新材料不仅更易于打印，而且还具有更高的机械性能。

与相同打印工艺制备的AlSi10Mg合金相比，该新型合金的屈服强度提高了70%，抗拉强度提高了50%。同时，残余应力保持在32MPa以下的较低水平。

研究人员指出，高质量打印部件的开发“必须从材料入手”，而不仅仅是工艺控制。

新型铝合金的设计目标是实现低开裂敏感性和高热稳定性。铝合金在高温下强度下降通常是由于组成相溶解、析出相析出以及晶粒粗化所致。

为了克服这些影响，研究团队选择了在铝中扩散性和溶解度较低的合金元素，即Ce、Fe、Mn和Ni。选择Ce是因为它可以通过形成共晶体来改善熔体流动性，并形成能够抑制晶粒粗化的金属间化合物。由于Fe是铝中不可避免的杂质，因此在合金中添加了少量Fe，含量为0.3wt%。Mn和Ni有潜力通过形成热稳定相来提高Al-RE体系的强度。

新设计的铝合金在打印过程中，在仅2.8℃的极窄温度范围内凝固，形成了极其精细的微观结构，晶粒内部包含尺寸小于200纳米的共晶晶格结构，合金组织中发现五种金属间相，这使得材料的性能得到了提升。

文章指出，AlSi10Mg的屈服强度约112±16MPa，极限抗拉强度约279±21MPa，而打印态的新型铝合金屈服强度为191±26MPa，极限抗拉强度提高至421±17MPa，延伸率为15%，在沉积态下表现出优异的强度与塑性平衡。

在打印引起的残余应力方面，该合金也表现优异。激光能量沉积3D打印涉及快速冷却和复杂的热处理条件，这些因素对最终部件的性能影响很大。

先前的研究表明，激光定向能量沉积（DED）铝合金的残余应力最高（110 MPa），约为其屈服强度的35%，而电弧定向能量沉积铝合金的最大应力（130 MPa）甚至可以达到其屈服强度。相比之下，本研究中铝合金的残余应力估计值极低，小于32MPa，不到屈服强度的16%，这将降低其开裂敏感性和形状变形。

残余应力主要来源于冷却过程中的热收缩以及周围材料的机械约束。在定向能量沉积（DED）加工过程中，由于DED打印过程中较高的热梯度和快速的温度波动，局部加工应力可达60MPa，超过最终残余应力。

新合金具有2.8°C的窄凝固范围和仅0.028%的线性凝固收缩率，比Al6061低一个数量级。冷却过程中热收缩的显著降低是导致合金残余应力低的主要原因。

虽然样品尺寸也会影响残余应力，导致应力水平较低，有报道称采用类似成型尺寸的DED制备的铝材却表现出更高的残余应力值，这进一步显示出这一合金的优势。

Relativity Space采用铝合金3D打印

这项研究的方法也十分出色。研究团队结合了同步辐射X射线分析和红外成像技术，实时追踪了打印过程中温度变化、相形成和应力累积情况。这项工作不仅为3D打印提供了一种新材料，也为未来如何专门针对增材制造工艺开发合金提供了一个范例。

该研究成果以“Mechanical and in situ thermal-related behavior during directed energy deposition additive manufacturing of a high-performance Al alloy”为题发表于《国际极端制造杂志》（International Journal of Extreme Manufacturing）。

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