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最新研究:硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

来源:环球体育苹果版 作者:环球体育网站怎么了 时间:2022-09-07

  SLM能够以相比其他增材制造技术更高的尺寸精度制造复杂形状,通过将拓扑优化与铝合金相结合可以实现更优的轻量化组件生产。通常能够用于SLM良好成型的铝合金仅限于Al-Si二元体系,打印过程中一般不会出现结构缺陷。然而此类铝合金一般属于铸造材料,机械性能低,不能满足轻质零件所需的性能。

  锻造铝合金(如2xxx或7xxx系列)因为其增强的比强度在汽车和航空航天业领域获得大量应用,是商用最强力的合金之一,因此采用SLM制造具有重要的应用潜力。然而,锻造铝合金是专为冷轧工艺设计,采用SLM打印很容易发生严重开裂。虽有研究通过改变工艺参数来抑制开裂和后热处理来改善机械性能,但却并未用于有效实践。

  近日,来自日本的科研人员研究了硅含量对选择性激光熔化(SLM)可加工性的影响以及所制备样品的性能。对于7075合金,硅含量过高会导致延展性降低和样品破裂,硅含量较低则无法抑制微裂纹。因此确定最佳硅含量为5%时,是消除具有增强的拉伸强度和可接受的延展性的裂纹所需的最低硅含量。

  研究表明,通过SLM制造的7075合金零件存在发生严重开裂的问题,添加硅则可以消除重大缺陷,并且硅含量的改变有利于改善材料微观结构形态和机械性能。随着硅含量的增加,SLM样品中的空隙和裂纹得到抑制,促进了样品的致密化,材料的最大相对密度也得到了改善。

  通过在最佳激光条件下加工7075 + 5%Si合金,可获得100.2%的最高相对密度,并且提高了维氏显微硬度和0.2%的屈服强度。7075+16%Si样品的硬度约为未改性7075的两倍。相反,过多的硅含量则导致脆性,这表现为在拉伸试验中测得的轻微延展性以及SLM过程中样品的断裂。在SLM工艺过程中7075+13%Si和7075+16%Si样品会自动断裂。

  总体说来,硅是铝合金中一种应用普遍且价格低廉的合金成分,它可以抑制SLM制造7075合金过程中的微裂纹。而且,目前尚未观察到硅与其他合金成分(包括Cu,Zn和Mg)的相互作用,这表明类似的方法可能适用于SLM技术的其他锻造铝合金。同时该研究有望作为一种能够在不限制制造几何形状的情况下稳定地消除裂纹的方法。

  2017年,美国休斯研究实验室(HRL)发表于nature的一篇关于铝合金3D打印的研究文章引起广泛关注。研究人员受熔铸工艺启发,通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种,从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下实现晶体精细生长,从而提高了产品的性能。

  3月,国内长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在国内多家用户不同型号设备上机使用验证,此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上,屈服强度达到510MPa以上,延伸率达到12%以上,与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当。

  8月,莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料,为3D打印铝合金材料再添一名明星成员,其拉伸强度目前已超过600Mpa,屈服强度可达580MPa,延伸率11%,制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验,相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。

  同月,英国铸造公司Aeromet International宣布了一项突破性成就,其专利A20X铝合金粉末已成为目前市场上用于增材制造高强度铝合金粉末之一。该材料经热处理后拉伸强度为511 MPa,屈服强度为440 MPa,伸长率为13%。基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件,并帮助法国某型号发动机实现瘦身。

  ,其开发的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铝合金在采用激光进行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600 Mpa。

  借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能,已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用。根据SmarTech的介绍,铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量(按体积计算)将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料,成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。