武漢理工&華科大 | 耐熱鋁合金增材制造研究進(jìn)展

來源： 極端制造 IJEM
作  者：吳超群、文鑒宇,、張金良,、宋波,、史玉升
機(jī)  構(gòu)：武漢理工大學(xué),、華中科技大學(xué)
地  址：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad7f2e

航空航天,、汽車等高端制造領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的輕量化、復(fù)雜化,、整體化需求日益增長,，鋁合金增材制造技術(shù)已成為解決輕質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件整體成形難題的有效途徑。現(xiàn)有關(guān)鍵零部件的高溫服役需求與應(yīng)用場合逐漸增加,，但常規(guī)鋁合金在中高溫區(qū)間（250-450°C）強(qiáng)化相快速粗化甚至溶解,，屈服強(qiáng)度發(fā)生斷崖式下降，無法滿足耐熱結(jié)構(gòu)件的使役要求,，轉(zhuǎn)而采用成本更高,、質(zhì)量更重的鈦合金替代。因此,，亟需研發(fā)面向增材制造的耐熱鋁合金,，實(shí)現(xiàn)“以鋁代鈦”，滿足構(gòu)件輕量化和經(jīng)濟(jì)性的雙重需求,。目前耐熱鋁合金增材制造已成為增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,，初步形成了適用于增材制造工藝特點(diǎn)的成分設(shè)計(jì)策略與合金體系，并圍繞打印/調(diào)控工藝,、耐熱相形成與高溫性能及其強(qiáng)化機(jī)制開展了廣泛研究,。

近期，武漢理工大學(xué)吳超群教授,、文鑒宇碩士生,、張金良教授（通訊作者），與華中科技大學(xué)宋波教授,、史玉升教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表了題為《耐熱鋁合金增材制造研究進(jìn)展》的綜述論文,。該論文重點(diǎn)介紹了提升增材制造耐熱鋁合金打印性能的設(shè)計(jì)策略，并對比介紹了現(xiàn)有不同鋁合金體系的可打印性,、微觀組織,、高溫力學(xué)性能和強(qiáng)化機(jī)理。最終從合金設(shè)計(jì),、工藝創(chuàng)新和性能評估三個方面對該領(lǐng)域進(jìn)行了展望,，為耐熱鋁合金增材制造的發(fā)展提供了新的見解。

圖1  增材制造耐熱鋁合金的挑戰(zhàn),、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,。

研究背景
耐熱鋁合金增材制造面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，且在目前應(yīng)用廣泛的激光增材制造技術(shù)中尤為明顯,。

一是增材制造成形難題,。一方面,，鋁合金作為一種典型的激光難加工材料，具有高激光反射率,、高導(dǎo)熱系數(shù)和寬凝固溫度范圍,，在打印過程中存在能量利用率低、熱分布不均勻,、固液共存凝固控制難等難題,，極易形成裂紋。另一方面,，高能束-鋁合金原材料交互作用形成的微熔池冷卻速率較高,，構(gòu)件具有較高的殘余應(yīng)力水平，打印或后期機(jī)械加工時極易開裂,。綜上,，由于鋁合金特性和增材制造工藝原理的雙重約束，鋁合金增材制造面臨工藝穩(wěn)定性難控制,、裂紋缺陷難抑制的技術(shù)瓶頸。

二是高溫性能提升難題,。耐熱鋁合金的高溫性能主要取決于耐熱相的形成,。增材制造激熱快冷的工藝特點(diǎn)導(dǎo)致大量合金元素固溶于過飽和鋁基體中，形成的非平衡非均勻組織與鑄,、鍛態(tài)組織差異顯著,，物相組成復(fù)雜。因此,，在滿足打印性能的基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步利用增材制造的非平衡凝固特性，設(shè)計(jì)并調(diào)控耐熱相的析出,，研發(fā)出面向增材制造工藝特點(diǎn)的耐熱鋁合金,，是解決高溫性能提升難題的關(guān)鍵。

最新進(jìn)展
面對需要同時滿足打印性能與高溫性能的雙重挑戰(zhàn),，增材制造高溫鋁合金的研發(fā)主要有兩種思路：①構(gòu)建共晶凝固體系,，②孕育處理。添加孕育劑和共晶體系的鋁合金均能夠在較大工藝窗口下實(shí)現(xiàn)高致密度成形,，隨后通過合金元素的篩選,，實(shí)現(xiàn)良好的耐熱性能，已成為當(dāng)前解決耐熱鋁合金增材制造難題的重要手段,。

孕育處理體系：孕育劑輔助鋁合金通常通過預(yù)合金化或Sc,、Zr、Ti等元素與合金粉末混合制備,。在增材制造過程中,，優(yōu)先析出的L12結(jié)構(gòu)Al3X相能夠作為異質(zhì)形核顯著細(xì)化晶粒并釘扎于晶界,。此外，添加TiB2,、SiC或TiCN等陶瓷顆粒也能產(chǎn)生類似效果,。目前應(yīng)用最普遍的孕育劑是價格昂貴的Sc元素，它不僅確保合金的良好打印性能,，還大幅提升了制備產(chǎn)物的耐熱性與強(qiáng)度,。當(dāng)前研究已在通過Ti、Zr,、Si等元素完全或部分替代Sc方面取得了一定進(jìn)展,。

共晶凝固體系：增材制造耐熱鋁合金的共晶體系主要包括Al-Ce、Al-Fe和Al-Ni合金,。這些合金在增材制造過程中形成的大體積分?jǐn)?shù)金屬間化合物（如Al11Ce3,、Al3Ni和Al6Fe）不僅賦予材料良好的打印性能，還具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,。然而,，二元共晶合金的強(qiáng)度較低。為此,，研究者通過設(shè)計(jì)三元體系（如Al-Ce-Ni,、Al-Ni-Cu）并引入Mn、Mg等常見鋁合金元素進(jìn)行改性,，或進(jìn)一步添加Sc,、Zr等孕育劑細(xì)化晶粒，顯著提升了其強(qiáng)度,。共晶凝固體系利用了增材制造技術(shù)的優(yōu)勢,，是具有前景的體系。

圖2  孕育劑的晶粒細(xì)化效果,。(a) 常規(guī)粉末與功能化粉末成形的差異,。(b) 增材制造鋁合金成形過程中的異質(zhì)成核。(c) 常規(guī)合金的柱狀晶粒對比孕育劑輔助合金的無裂紋等軸晶粒,。

圖3  增材制造共晶鋁合金,。(a) 二元Al-Si合金制備態(tài)下的裂紋。(b) 二元Al-Fe合金相圖及其性能,。(c) 二元Al-Ni合金在增材制造凝固過程中的組織演變,。

圖4  增材制造耐熱鋁合金性能匯總。

未來展望
雖然增材制造耐熱鋁合金的開發(fā)已取得一定進(jìn)展,，但現(xiàn)有的材料改性方法主要基于經(jīng)驗(yàn),，缺乏對性能的有效預(yù)測；此外，絕大部分增材制造耐熱鋁合金均采用PBF-LB（激光粉末床熔化增材制造）方式制備,，存在局限性,；而性能評估多集中于高溫拉伸性能，較少關(guān)注高溫蠕變,、疲勞和耐腐蝕等關(guān)鍵應(yīng)用性能,。針對這些問題，本文做出了如下展望,。

在合金設(shè)計(jì)方面,，(1) 機(jī)器學(xué)習(xí)可通過缺陷檢測和性能預(yù)測等方式促進(jìn)耐熱鋁合金的開發(fā)；(2) 相場模擬能定量預(yù)測制備以及后續(xù)熱處理過程中產(chǎn)物的微觀組織變化,，為合金開發(fā)和熱處理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),；(3) 有限元分析可模擬熔池的溫度場、應(yīng)力場的動態(tài)變化,，有助于揭示增材制造過程中的冶金行為,。

在工藝創(chuàng)新方面，(1) 復(fù)合熱源增材制造技術(shù)（如激光/電弧復(fù)合）能夠結(jié)合多種工藝的優(yōu)勢,，有望進(jìn)一步改善制備產(chǎn)物的組織與性能,；(2)通過引入磁場、超聲波等輔助能量場,，有望通過影響熔體動力學(xué),、應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)演變，進(jìn)而提升合金的可打印性和性能,。

在性能評估與后處理方面，(1) 應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用場景,，全面評估耐熱鋁合金的高溫性能,；(2) 有必要開發(fā)適用于增材制造耐熱鋁合金的熱處理體系，以優(yōu)化目標(biāo)相和微觀結(jié)構(gòu),。

作者簡介

吳超群
武漢理工大學(xué)

吳超群,，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院院長，教授,，湖北省楚天學(xué)者特聘教授,。主要從事機(jī)器人加工、功率超聲波,、振動與噪聲控制等相關(guān)研究,。主持國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研,、湖北省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)等研究項(xiàng)目,。發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利31項(xiàng),，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)11項(xiàng),。研究成果獲湖北省科技進(jìn)步一等獎1項(xiàng)（序1）,，中國發(fā)明協(xié)會創(chuàng)新一等獎1項(xiàng)（序2），湖北省高等學(xué)校教學(xué)成果二等獎2項(xiàng),。

張金良
武漢理工大學(xué)

張金良,，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院特設(shè)教授，湖北省楚天學(xué)者,，從事金屬增材制造研究,。近5年以第一/通訊作者發(fā)表高水平論文16篇，其中ESI Top Article Award 1篇,，ESI熱點(diǎn)論文1篇,、高被引論文2篇、期刊封面論文3篇,，總引用2000余次,。第二主編出版《增材制造技術(shù)》教材1部，入選“十三五”國家重點(diǎn)出版規(guī)劃項(xiàng)目現(xiàn)代機(jī)械工程系列精品教材,。牽頭制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng),，授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。擔(dān)任《Advanced Powder Materials》《Rare Metals》《Journal of Central South University》等期刊青年編委,，SCI期刊《Symmetry》客座主編,。主持國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金,、JG橫向等項(xiàng)目,。研究成果獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎（序6）、2021中國有色金屬十大進(jìn)展（序2）,，中國有色金屬優(yōu)秀博士論文獎,。

宋波
華中科技大學(xué)

宋波，華中科技大學(xué)教授,，博導(dǎo),。圍繞先進(jìn)材料設(shè)計(jì)、超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其增材制造技術(shù)開展研究,�,？萍疾恐攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然基金委優(yōu)秀青年基金,、教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,。2023年愛斯維爾中國高被引學(xué)者、2022年中國機(jī)械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,、2023年中國有色金屬學(xué)會爭先創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,、美國斯坦福大學(xué)2021，2022年度全球前2％頂尖科學(xué)家。出版中英文專著4部,，累計(jì)在《Materials Today》《Nature Communications》《Advanced Functional Materials》《Acta Materialia》等期刊發(fā)表論文130余篇,，SCI他引4000余次，主辦“第一屆全國4D打印論壇”系列會議,。以第一獲獎人分別獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎,、2022機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎、2021,、2023中國有色金屬十大科技進(jìn)展,。

史玉升
華中科技大學(xué)

史玉升，華中科技大學(xué)華中學(xué)者領(lǐng)軍崗特聘教授�,，F(xiàn)任中國有色金屬學(xué)會增材制造分會主任委員,、中國材料學(xué)會增材制造材料分會主任委員、中國航天科技集團(tuán)增材制造工藝技術(shù)中心專家委員會主任,、長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人等職務(wù),。主要從事增材制造專用材料的制備與成形技術(shù)。成果獲發(fā)明專利399件,，主撰著作/教材9部,，發(fā)表論文704篇。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(xiàng)（排1）,、國家科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)（排1,、排3）、中國十大科技進(jìn)展和中國智能制造十大科技進(jìn)展各1項(xiàng)（均排1）,、省部級一等獎10項(xiàng)（6項(xiàng)排1）,；獲全國創(chuàng)新爭先獎狀、十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎,、中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎,、湖北省五一勞動獎?wù)隆⑽錆h市科技重大貢獻(xiàn)個人獎等稱號,。