激光增材制造Al-Mg-Si合金長期存在粗大柱狀晶和連續(xù)熱裂紋的問題，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。近期北京理工大學(xué)的科研人員展示了一種新穎而簡單的層間暫停 (IP) 策略，消除Al-Mg-Si合金熱裂紋，從而提高通過激光熔化沉積 (LMD) 制造的Al-Mg-Si合金的機械性能。研究發(fā)現(xiàn)增加層間暫停時間不僅有利于細化粗柱狀晶粒，而且抑制晶粒沿打印方向的生長趨勢，并誘導(dǎo)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。此外適當?shù)膶娱g暫停時間可以消除沿柱狀晶界的熱裂紋并降低孔隙率的數(shù)量；但是進一步延長層間暫停時間會導(dǎo)致形成大量長的水平板條狀裂紋。激光熔化沉積過程中極快的凝固抑制了初級金屬間化合物顆粒的形成，促進了時效硬化析出物的析出。采用每層8s的最佳層間暫停策略，激光熔化沉積合金在熱處理后表現(xiàn)出281±1MPa的屈服強度和18%的伸長率，顯示出比鑄造和鍛造鋁合金更好的機械性能。該層間暫停策略為未來激光熔化沉積制造高強度鋁合金提供了指導(dǎo)方針。相關(guān)研究成果以“Design strategy for eliminating cracking and improving mechanical properties of Al-Mg-Si alloys fabricated by laser melting deposition”為題，發(fā)表于增材制造top期刊《Additive manufacturing》。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423001264

Al-Mg-Si鋁合金是一類重要的可熱處理合金，具有高比強度和良好的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶和建筑行業(yè)的大型結(jié)構(gòu)零件。作為變形鋁合金在鑄造后一般需要擠壓、軋制或鍛造加工成成品。然而這種傳統(tǒng)的鑄造-變形-切割減材制造已經(jīng)越來越難以滿足高效和環(huán)境可持續(xù)性的先進制造需求。增材制造為近凈形金屬部件的制造帶來了巨大的機遇。激光熔化沉積（LMD）是一種應(yīng)用廣泛且前景廣闊的增材制造方法。與激光選區(qū)熔化（SLM）相比，激光熔化沉積具有更高的制造速度和更高的靈活性，因為打印時無需預(yù)先鋪設(shè)金屬粉末，也沒有模具的限制。因此激光熔化沉積更適合制造大型金屬零件，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，更能滿足實際工業(yè)生產(chǎn)對結(jié)構(gòu)的需求。為解決激光熔化沉積鋁合金的熱裂問題，已經(jīng)進行了許多專注于工藝參數(shù)優(yōu)化的研究。激光能量相關(guān)參數(shù)是研究最廣泛的參數(shù)。研究人員發(fā)現(xiàn)，適當?shù)募す饽芰枯斎耄绺叩募す夤β?、更低的掃描速度，可有效緩解激光熔化沉積鋁合金的熱裂紋。激光熔化沉積鋁合金中的熱裂紋也可以通過添加成核劑來抑制，然而過多的成核劑添加會導(dǎo)致延展性下降，成核劑將是回收鋁合金時需要考慮的問題。由逐層制造模式引起的各層沉積之間的層間停頓通常被認為會導(dǎo)致嚴重缺陷和機械性能受損。然而在某些合金中（例如Ti-6Al-4V、不銹鋼和 Inconel 625） , 層間停頓是一個有用的增材制造處理參數(shù)。例如，層間停頓可以觸發(fā)鎳鋁納米沉淀并控制增材制造過程中的馬氏體相變，從而使 Fe19Ni5Ti 鋼具有優(yōu)異的機械性能。還發(fā)現(xiàn)，當沒有發(fā)生固相轉(zhuǎn)變時，層間停頓可用于釋放累積的熱應(yīng)力減少金屬零件的變形。因此采用適當?shù)膶娱g暫停策略顯示出減輕激光熔化沉積6xxx 鋁合金熱裂紋的巨大潛力。在這項工作中，為消除熱致開裂并提高激光熔化沉積鋁合金的機械性能，激光熔化沉積應(yīng)用了各種層間暫停策略來制造AA6061鋁合金。研究了層間暫停策略對微觀結(jié)構(gòu)（晶粒結(jié)構(gòu)、初級金屬間化合物顆粒和納米級沉淀物）和缺陷（裂紋和孔隙率）的影響。

圖1 (a) 示意圖；(b)激光熔化沉積AA6061長方體；(c) 說明掃描策略的示意圖

表1 這項工作中所有AA6061合金的加工狀態(tài)和相應(yīng)的縮寫

圖2 EBSD：(a) NP；(b) IP1；(c) IP2；(d) IP3；(e) IP4；(f) AC；(g) AD合金

圖3 激光熔化沉積合金中柱狀晶的長度和寬度

圖4 SEM圖像顯示缺陷分布（白色箭頭：熱裂紋，黃色箭頭：孔隙率，紅色箭頭：水平裂紋）

圖5 合金在熱處理前缺陷（裂紋和孔隙）的 3D XCT：(a1-d1) 缺陷的整體分布，以及(a2-d2) 相應(yīng)合金中典型缺陷的放大圖

圖6 合金中缺陷的等效直徑分布頻率，插圖顯示大于60μm的缺陷的放大分布頻率 (e) 缺陷的數(shù)密度和體積分數(shù)，以及相應(yīng)合金的相對密度

圖7 合金中初級金屬間化合物粒子的數(shù)量密度和體積分數(shù)：(a) IP1 和 (b) AD 合金中初級金屬間化合物顆粒的等效直徑分布頻率，插圖顯示放大的分布頻率

圖8 合金機械性能以及和之前研究的比較

表2 T6熱處理后 LMDed、AC 和 AD 合金的機械性能

總之在這項工作中，研究人員展示了一種有效且簡單的解決方案，即采用層間暫停策略來獲得通過激光熔化沉積(LMD)制造的無裂紋高強度高延展性Al-Mg-Si合金。通過最佳層間暫停策略，激光熔化沉積AA6061合金表現(xiàn)出比經(jīng)過相同熱處理的鑄造和鍛造AA6061更高的屈服強度和更優(yōu)異的延伸率。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)研究和機械測試得出以下結(jié)論：

(1)將IP（層間暫停）時間增加到30s有效地減少了LMD過程中的熱量積累，從而在凝固過程中產(chǎn)生更大的溫度梯度和更高的冷卻速率，有利于粗大柱狀晶的細化。此外，增加的IP時間不僅會導(dǎo)致織構(gòu)隨機化并抑制沿構(gòu)建方向有利的晶粒生長趨勢，還會通過抑制外延晶粒生長和促進當前沉積層中α-Al晶粒的成核來誘導(dǎo)柱狀向等軸轉(zhuǎn)變。

(2)LMD期間8s的IP時間及時釋放熱應(yīng)力并中斷晶間液膜的連續(xù)生長。因此，與沒有IP的合金相比，熱裂紋消除，孔隙數(shù)密度大大降低。然而，進一步延長IP時間會導(dǎo)致形成大量長的水平板條狀裂紋，作為層間未熔合缺陷，這是由于過度減少的熱量積累。

(3)LMD過程中，極快的凝固抑制了初級金屬間化合物顆粒的形成，產(chǎn)生超高過飽和固溶體。與經(jīng)過相同T6熱處理的傳統(tǒng)制造合金相比，導(dǎo)致LMD合金中時效硬化析出物的數(shù)量密度高得多。

(4)采用每層8s的最佳策略的合金在熱處理后表現(xiàn)出281±1MPa的YS和18%的伸長率，甚至優(yōu)于鑄鍛合金。