粗粉+大層厚，倍豐實(shí)現(xiàn)鋁合金高強(qiáng)度、高效率和低成本3D打印
采用粉末床激光熔融工藝（LPBF）3D打印的鋁合金結(jié)合了高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和出色的加工性能等優(yōu)異特性，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。然而，大多數(shù)廣泛使用的LPBF制造鋁合金，如AlSi7Mg、AlSi10Mg和AlSi12，強(qiáng)度較低，極限拉伸強(qiáng)度不足400MPa，從而限制了它們的工業(yè)應(yīng)用。相比之下，LPBF制造的高強(qiáng)度2xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列鋁合金在LPBF工藝的快速凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋，導(dǎo)致不適合LPBF制造。因此，開(kāi)發(fā)用于LPBF工藝的可加工無(wú)裂紋高強(qiáng)鋁合金在近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。
高強(qiáng)鋁合金的性能不完美特點(diǎn)
對(duì)于LPBF工藝制造的高強(qiáng)度鋁合金，有研究人員報(bào)道了Al-Cu-Mg-Si合金，其抗拉強(qiáng)度為455 MPa。此外，另一項(xiàng)關(guān)于Zr改性高強(qiáng)度Al-Cu-Mg合金的工作顯示出LPBF制造后實(shí)現(xiàn)了無(wú)裂紋的微觀結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了424MPa。盡管這些LPBF工藝制造的無(wú)裂紋鋁合金確實(shí)表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，但其加工硬化行為并不令人滿意。
相比之下，新近研究的高強(qiáng)度Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到了560MPa，并具有特殊的加工硬化行為。通過(guò)在300°C下進(jìn)行5小時(shí)的簡(jiǎn)單后熱處理即可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。這種熱處理導(dǎo)致基體中Mn過(guò)飽和并形成納米AlSc顆粒，從而有助于固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。
倍豐智能3D打印的高強(qiáng)鋁合金零件（非大層厚打?。?/p>
倍豐智能3D打印的高強(qiáng)鋁合金零件（非大層厚打?。?/p>
然而，由于Sc元素較為昂貴，3D打印所采用的30μm的小層厚度使成形效率較低，最終導(dǎo)致LPBF工藝制造的高強(qiáng)度Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的成本很高。此外，粉末顆粒的成本取決于尺寸，在增材制造應(yīng)用中，細(xì)顆粒比粗顆粒貴得多，高成本阻礙了LPBF工藝制造高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)用。
粗粉+大層厚
實(shí)現(xiàn)高效率、低成本制造
3D打印技術(shù)參考注意到，為了實(shí)現(xiàn)含Sc高強(qiáng)鋁合金大層厚高效率制造，降低LPBF制備高強(qiáng)鋁合金的成本，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長(zhǎng)吳鑫華院士團(tuán)隊(duì)與北京工業(yè)大學(xué)、汕頭大學(xué)、澳大利亞伊迪斯·科文大學(xué)、澳大利亞Monash大學(xué)、東南大學(xué)等單位合作開(kāi)展針對(duì)含Sc高強(qiáng)鋁合金大層厚高效率激光粉末床熔融的研究，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋁合金大層厚粗粉末粒徑高效率3D打印的突破。
相關(guān)研究成果以“Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion”為題發(fā)表于2023年8月29日的《Virtual and Physical Prototyping》上（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.6）期刊發(fā)表，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。據(jù)查，北京工業(yè)大學(xué)的張昊（博士研究生）為論文的第一作者，澳大利亞伊迪斯·科文大學(xué)張來(lái)昌教授與汕頭大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系的曹晟副教授為論文的通訊作者，吳鑫華院士為論文的共同作者。
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769
在制備大層厚過(guò)程中，大多數(shù)機(jī)器會(huì)存在難成型，成型質(zhì)量差問(wèn)題。該工作利用蘇州倍豐智能科技有限公司產(chǎn)激光粉末床設(shè)備Ampro SP260，在使用低成本粗粉的前提下，能夠高效率制備出大層厚的高強(qiáng)Al-Mn-Sc合金。在120μm層厚的情況下，實(shí)現(xiàn)了>99.2%的相對(duì)密度。此外，在后續(xù)熱處理后試樣中，屈服強(qiáng)度30μm層厚為502MPa，120μm層厚為472MPa。120μm層厚的樣品仍然表現(xiàn)出較高的拉伸屈服強(qiáng)度和約10%的延伸率。這項(xiàng)研究成功地證明了在LPBF 工藝中采用大層厚高效率制造高強(qiáng)Al-Mn-Sc合金的可行性，而用低成本粗粉以大層厚高效率打印高強(qiáng)Al-Mn-Sc合金航天航空結(jié)構(gòu)件的解決方案，不但增加了高強(qiáng)Al-Mn-Sc合金在航空航天的應(yīng)用的前景，更加強(qiáng)了3D打印同行的成本和技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。
蘇州倍豐智能科技有限公司生產(chǎn)的激光粉末床 Ampro SP260設(shè)備
激光粉末床制備樣品中的缺陷三維可視化（a 和 c）和垂直投影觀察（b 和 d），顯示了 30 μm（a-b）和 120 μm（c-d）樣品的 μ-CT 圖像重建的孔隙形態(tài)和分布。
(a) 不同層厚的熱處理后 Al-Mn-Sc 合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及試樣的拉伸斷裂面：(b)-(c) 30 μm和 (d)-(e) 120 μm。
(a) Al-Mn-Sc合金與其他激光粉末床制備的鋁合金打印速率；（b）Al-Mn-Sc與其他激光粉末床制成的鋁合金的屈服強(qiáng)度。
主要結(jié)論
這項(xiàng)工作獲得了不同層厚（30 μm、60 μm、90 μm 和 120 μm）條件下激光粉末床制備 Al-Mn-Sc 合金的加工工藝窗口，并研究了熱處理試樣的微觀組織和機(jī)械性能。論文得出以下結(jié)論：
(1) 在所有層厚條件下試樣均達(dá)到了較高的相對(duì)致密度。層厚為120μm試樣的相對(duì)密度為99.2%。
(2) 經(jīng)LPBF打印和后熱處理的Al-Mn-Sc合金具有典型的雙峰等軸晶柱狀晶顯微組織。等軸晶粒和柱狀晶粒的尺寸隨層厚的增加而略有增大，這歸因于大層厚時(shí)冷卻速度的降低。
(3) 這項(xiàng)研究提供了一種大層厚高效率LPBF制造的方法，在120μm層厚的條件下制備出強(qiáng)度高（屈服強(qiáng)度為472MPa）、延展性好（斷后延伸率為9.8%）的 Al-Mn-Sc合金。
論文主要作者簡(jiǎn)介
吳鑫華，曾任蒙納士大學(xué)副校長(zhǎng)、現(xiàn)為蘇州大學(xué)金屬材料與智能制造研究院院長(zhǎng)、講席教授、博士生導(dǎo)師，澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長(zhǎng)，是世界公認(rèn)的3D打印技術(shù)開(kāi)創(chuàng)者之一。在3D打印的設(shè)計(jì)、材料、工藝和性能優(yōu)化領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了金屬3D打印從科學(xué)原創(chuàng)性概念到應(yīng)用上可行的生產(chǎn)制造。從事航空材料和3D打印研究30余年致力于金屬3D打印基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣，創(chuàng)立了3D打印材料和工藝的系統(tǒng)性研究方法，開(kāi)發(fā)了世界首個(gè)3D打印專用高強(qiáng)鋁合金和超高強(qiáng)鈦合金；承擔(dān)國(guó)際重大科研項(xiàng)目60余項(xiàng)，和世界20多家國(guó)際著名航空企業(yè)（包括英國(guó)羅爾斯－羅伊斯，空客，龐巴迪，賽峰（法國(guó)和中國(guó)），中國(guó)商飛，中國(guó)航發(fā)，中國(guó)重燃和中廣核）有過(guò)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略合作，解決航空、燃機(jī)、核電領(lǐng)域的高端制造難題。開(kāi)創(chuàng)國(guó)內(nèi)民航金屬3D打印鈦合金零件適航認(rèn)證和裝機(jī)應(yīng)用先河；為中國(guó)重燃“兩機(jī)重大專項(xiàng)”項(xiàng)目解決燃燒室噴嘴、透平葉片等關(guān)鍵部件3D打印難題；實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域3D打印技術(shù)首次成果認(rèn)定并示范應(yīng)用。出版5部著作，發(fā)表210余篇SCI 期刊論文，他引11081次，H指數(shù)58，授權(quán)25項(xiàng)國(guó)際和6項(xiàng)國(guó)內(nèi)專利。
張來(lái)昌，澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)終身教授。張來(lái)昌教授長(zhǎng)期從事新型材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，主要包括：亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能；多尺度材料的合成與性能；3D打印技術(shù)在新材料中的應(yīng)用；新型功能材料。已主持和參加澳大利亞研究理事會(huì)項(xiàng)目等研究項(xiàng)目20余項(xiàng)。迄今為止，他已經(jīng)出版英文專著2本、書籍章節(jié)19章，發(fā)表在Advanced Materials（《先進(jìn)材料》，影響因子21.95）、Advanced Functional Materials（《先進(jìn)功能材料》，影響因子13.32）、Acta Materialia（《材料學(xué)報(bào)》，影響因子6.036）、Scripta Materialia （《材料快報(bào)》，影響因子4.163）等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文200余篇，約15篇學(xué)術(shù)文章被評(píng)為ESI“熱點(diǎn)文章”及ESI“高被引用文章”。部分研究成果已經(jīng)在澳大利亞國(guó)家電視臺(tái)（ABC）新聞?lì)l道直播采訪、我國(guó)中央電視臺(tái)（CCTV-4）和新華社等知名媒體報(bào)道。
曹晟，汕頭大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)椋航饘俨牧显霾闹圃旒夹g(shù)。本科畢業(yè)于中南大學(xué)，博士畢業(yè)于澳大利亞Monash大學(xué)，先后在澳大利Monash大學(xué)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)從事博士后研究。2021年以卓越人才計(jì)劃-優(yōu)秀人才入職汕頭大學(xué)。主持項(xiàng)目包括國(guó)家自然科學(xué)基金(青年科學(xué)基金項(xiàng)目)、廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)與廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（自然科學(xué)）等課題。目前在Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Materials Science & Technology等國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表論文四十余篇，Google Scholar 引用1200余次，h-index 16, 授權(quán)專利6項(xiàng)。
技術(shù)支持—蘇州倍豐智能科技有限公司
蘇州倍豐智能科技有限公司，由鈦合金和增材制造專家——吳鑫華院士一手創(chuàng)立，是一家專業(yè)從事工業(yè)級(jí)金屬3D打印設(shè)備、打印材料工藝研發(fā)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，同時(shí)為客戶提供3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)咨詢和助力科研服務(wù)。目前，蘇州倍豐金屬3D打印設(shè)備覆蓋SP100-1200mm全幅面，實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)從設(shè)計(jì)到軟件完全自主產(chǎn)權(quán)的共6個(gè)尺寸大小的打印主機(jī)；配置全流程惰性氣氛保護(hù)且密封適合國(guó)際適航要求的3D打印金屬粉末前、后處理系統(tǒng)。同時(shí)公司開(kāi)放擁有獨(dú)特的復(fù)合增材制造裝備、激光焊機(jī)、其他焊機(jī)、相關(guān)產(chǎn)品的智能制造裝備，科研服務(wù)及耗材相關(guān)技術(shù)的咨詢等服務(wù)項(xiàng)目。
