武漢理工&華科大 | 耐熱鋁合金增材制造研究進展

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

航空航天,、汽車等高端制造領域關鍵零部件的輕量化,、復雜化、整體化需求日益增長,，鋁合金增材制造技術已成為解決輕質復雜構件整體成形難題的有效途徑�,，F(xiàn)有關鍵零部件的高溫服役需求與應用場合逐漸增加，但常規(guī)鋁合金在中高溫區(qū)間（250-450°C）強化相快速粗化甚至溶解,，屈服強度發(fā)生斷崖式下降,，無法滿足耐熱結構件的使役要求，轉而采用成本更高,、質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,，實現(xiàn)“以鋁代鈦”,，滿足構件輕量化和經(jīng)濟性的雙重需求。目前耐熱鋁合金增材制造已成為增材制造領域的研究熱點之一,，初步形成了適用于增材制造工藝特點的成分設計策略與合金體系,，并圍繞打印/調控工藝、耐熱相形成與高溫性能及其強化機制開展了廣泛研究,。

近期,，武漢理工大學吳超群教授、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展》的綜述論文,。該論文重點介紹了提升增材制造耐熱鋁合金打印性能的設計策略,，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,、高溫力學性能和強化機理,。最終從合金設計、工藝創(chuàng)新和性能評估三個方面對該領域進行了展望,，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峻的技術挑戰(zhàn),，且在目前應用廣泛的激光增材制造技術中尤為明顯。

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,，構件具有較高的殘余應力水平，打印或后期機械加工時極易開裂,。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導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,，物相組成復雜,。因此，在滿足打印性能的基礎上,，進一步利用增材制造的非平衡凝固特性,，設計并調控耐熱相的析出，研發(fā)出面向增材制造工藝特點的耐熱鋁合金,，是解決高溫性能提升難題的關鍵,。

最新進展
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現(xiàn)高致密度成形，隨后通過合金元素的篩選,，實現(xiàn)良好的耐熱性能,，已成為當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結構Al3X相能夠作為異質形核顯著細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)物的耐熱性與強度,。當前研究已在通過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數(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,，二元共晶合金的強度較低,。為此，研究者通過設計三元體系（如Al-Ce-Ni,、Al-Ni-Cu）并引入Mn,、Mg等常見鋁合金元素進行改性，或進一步添加Sc,、Zr等孕育劑細化晶粒,，顯著提升了其強度。共晶凝固體系利用了增材制造技術的優(yōu)勢,，是具有前景的體系,。

圖2  孕育劑的晶粒細化效果。(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)已取得一定進展，但現(xiàn)有的材料改性方法主要基于經(jīng)驗,，缺乏對性能的有效預測,；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,，較少關注高溫蠕變、疲勞和耐腐蝕等關鍵應用性能,。針對這些問題,，本文做出了如下展望。

在合金設計方面,，(1) 機器學習可通過缺陷檢測和性能預測等方式促進耐熱鋁合金的開發(fā),；(2) 相場模擬能定量預測制備以及后續(xù)熱處理過程中產(chǎn)物的微觀組織變化，為合金開發(fā)和熱處理設計提供指導,；(3) 有限元分析可模擬熔池的溫度場,、應力場的動態(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) 復合熱源增材制造技術（如激光/電弧復合）能夠結合多種工藝的優(yōu)勢,，有望進一步改善制備產(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,、應力分布和微觀結構演變，進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) 應結合具體應用場景，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)化目標相和微觀結構。

作者簡介

吳超群
武漢理工大學

吳超群,，武漢理工大學機電工程學院院長,，教授，湖北省楚天學者特聘教授,。主要從事機器人加工,、功率超聲波、振動與噪聲控制等相關研究,。主持國家自然科學基金,、國防預研、湖北省科技創(chuàng)新重大專項等研究項目,。發(fā)表學術論文40余篇,，授權國家發(fā)明專利31項，計算機軟件著作權11項。研究成果獲湖北省科技進步一等獎1項（序1）,，中國發(fā)明協(xié)會創(chuàng)新一等獎1項（序2）,，湖北省高等學校教學成果二等獎2項。

張金良
武漢理工大學

張金良,，武漢理工大學機電工程學院特設教授,，湖北省楚天學者，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》教材1部,，入選“十三五”國家重點出版規(guī)劃項目現(xiàn)代機械工程系列精品教材。牽頭制定團體標準1項,，授權發(fā)明專利3項,。擔任《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,。主持國家自然科學基金,、湖北省自然科學基金、JG橫向等項目,。研究成果獲2022湖北省技術發(fā)明二等獎（序6）,、2021中國有色金屬十大進展（序2），中國有色金屬優(yōu)秀博士論文獎,。

宋波
華中科技大學

宋波,，華中科技大學教授，博導,。圍繞先進材料設計,、超結構設計及其增材制造技術開展研究�,？萍疾恐攸c研發(fā)計劃項目,、國家自然基金委優(yōu)秀青年基金、教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團隊負責人,。2023年愛斯維爾中國高被引學者,、2022年中國機械工業(yè)科技創(chuàng)新領軍人才、2023年中國有色金屬學會爭先創(chuàng)新團隊負責人,、美國斯坦福大學2021,，2022年度全球前2％頂尖科學家,。出版中英文專著4部，累計在《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湖北省技術發(fā)明二等獎,、2022機械工業(yè)科學技術發(fā)明二等獎,、2021、2023中國有色金屬十大科技進展,。

史玉升
華中科技大學

史玉升,，華中科技大學華中學者領軍崗特聘教授。現(xiàn)任中國有色金屬學會增材制造分會主任委員,、中國材料學會增材制造材料分會主任委員,、中國航天科技集團增材制造工藝技術中心專家委員會主任、長江學者創(chuàng)新團隊負責人等職務,。主要從事增材制造專用材料的制備與成形技術,。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,。獲國家技術發(fā)明二等獎1項（排1）,、國家科技進步二等獎2項（排1,、排3）、中國十大科技進展和中國智能制造十大科技進展各1項（均排1）,、省部級一等獎10項（6項排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,、湖北省五一勞動獎章、武漢市科技重大貢獻個人獎等稱號,。