近日，由奧本大學(xué)和EOS北美工程師組成的研究小組，深入研究了構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁合金部件結(jié)構(gòu)完整性的影響。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)五種最流行的鋁合金粉末進(jìn)行了測(cè)試，包括AlSi10Mg、Scalmalloy、F357以及QuesTek和Addalloy? 5T (AD1) 公司生產(chǎn)的鋁合金粉末。使用粉末床熔融3D打印技術(shù)，他們研究了構(gòu)建方向如何改變部件微觀結(jié)構(gòu)、材料孔隙率和疲勞行為，這些屬性都是材料是否適合高應(yīng)力工業(yè)應(yīng)用的影響因素。

研究顯示，鋁合金在增材制造中的使用受到了極大關(guān)注，特別是在航空航天工業(yè)中，這使得越來(lái)越多與增材制造工藝更兼容的新型高強(qiáng)度鋁合金不斷涌現(xiàn)。但是，在將這些新開(kāi)發(fā)的鋁合金用于安全關(guān)鍵承重應(yīng)用之前，對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行全面研究至關(guān)重要。

所研究鋁合金的成分組成

五種鋁合金粉末3D打印之后的SEM圖像

鋁合金在增材制造應(yīng)用中的興起

隨著金屬3D打印技術(shù)迅速成為汽車、國(guó)防和醫(yī)療保健等行業(yè)的戰(zhàn)略應(yīng)用技術(shù)，新材料創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)。尤其是鋁合金，憑借高強(qiáng)度重量比、淬透性和出色耐腐蝕性的特點(diǎn)，使其成為航空航天和賽車運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域各種應(yīng)用的首選。

然而，奧本大學(xué)的研究人員表示，3D打印鋁合金通常比其他材料更具挑戰(zhàn)性。此類材料粉末顆粒輕、流動(dòng)性差、易吸潮、導(dǎo)熱性高，且極易氧化，這一系列問(wèn)題增加了3D打印鋁合金出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)——這些問(wèn)題對(duì)任何材料的機(jī)械性能（尤其是疲勞性能）都是有害的。3D打印技術(shù)參考也曾在《制約鋁合金3D打印應(yīng)用的六大因素及國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋁合金的商用進(jìn)展》中進(jìn)行了詳細(xì)解讀（鏈接http://amreference.com/?p=6566）。

當(dāng)前已經(jīng)證明，零件的構(gòu)建方向是產(chǎn)生缺陷的類型、大小和頻率的主要影響因素。這歸因于不同構(gòu)建方向下零件經(jīng)歷的熱歷史變化，因此有必要評(píng)估構(gòu)建方向如何影響3D打印鋁合金部件的疲勞行為。

由 Scalmalloy 制造的空氣動(dòng)力學(xué)賽車小翼

構(gòu)建方向?qū)Y(jié)構(gòu)完整性的影響

該研究在垂直和水平方向上3D打印了AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357樣品。

首先，構(gòu)建取向?qū)︿X合金部件的晶粒結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著影響。然而，構(gòu)建方向?qū)θ毕菥哂忻黠@的影響，水平試樣的體積缺陷水平比垂直試樣高得多。Scalmalloy 和AD1在垂直和水平構(gòu)造方向之間的缺陷密度變化最小，這是由于這兩種合金的熱導(dǎo)率相對(duì)較低所致。

不同鋁合金3D打印完成之后的熱處理?xiàng)l件

LB-PBF鋁合金的拉伸性能

將這些合金相互比較，無(wú)論構(gòu)建方向如何，AD1鋁合金在疲勞性能方面都優(yōu)于AlSi10Mg、QuesTek Al和Al F357。這是由于AD1較低的缺陷密度、較高的拉伸強(qiáng)度和較高的伸長(zhǎng)率所導(dǎo)致的結(jié)果。雖然水平方向構(gòu)建的Scalmalloy零件的疲勞性能略低于水平方向AD1零件，但兩種合金的垂直試樣的疲勞壽命相當(dāng)。

該研究總結(jié)道：“雖然這項(xiàng)研究并未提供整體疲勞性能，但五種不同方向制造的LB-PBF鋁合金所得到的數(shù)據(jù)和知識(shí)可以幫助用戶選擇合適的鋁合金種類。

五種合金水平結(jié)構(gòu)的孔隙率明顯高于垂直結(jié)構(gòu)

END

根據(jù)SmarTech的介紹，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計(jì)算）將從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右。鋁合金正在追趕上鈦、鎳和鋼等材料，成為支持增材制造下一代發(fā)展的重要機(jī)遇。