上海交大特種材料研究所 l 面向高致密、無裂紋！揭示高熱裂敏感Al-Cu-Mg合金增材制造工藝參數與缺陷演變關
鋁合金在增材制造過程中的開裂問題是一個復雜且具有挑戰性的課題。鋁合金由于其較高的激光反射率和熱導率，以及合金化程度高和結晶范圍廣的特性，在激光和電子束增材成形過程中容易產生熱裂傾向、元素燒損和蒸發，形成大量孔隙和夾雜，導致成形穩定性和可重復性降低。
上海交通大學特種材料研究所聯合上海船舶動力創新中心有限公司成功開發了激光粉末床熔化成形Al-Cu-Mg合金的成形工藝圖譜，并提出了一種快速簡易的篩選方法，以指導高致密、無裂紋鋁合金的增材制造工藝選擇。這項研究不僅增進了對增材制造過程中缺陷形成機理的理解，也為實際制造提供了重要的工藝指導。
鋁合金是常用結構件材料之一，其中2系Al-Cu-Mg合金因具有密度低、比強度和比剛度高、塑性好、導熱性優異等特點，已成為實現高端關鍵裝備結構輕量化的首選材料，在航空航天和船舶裝備領域具有廣闊的應用前景。然而Al-Cu-Mg合金由于較低的激光吸收率和寬的凝固溫度區間，使其在增材制造過程中易產生熱裂等缺陷而難以制造，需要對工藝參數與缺陷演化的關系進行進一步的研究。
針對此問題，近日上海交通大學特種材料研究所聯合上海船舶動力創新中心有限公司，共同開展船舶發動機鋁合金增材制造技術研究，針對不同激光工藝條件下Al-Cu-Mg合金的缺陷演變過程開展工作，揭示裂紋形成機理及工藝參數對缺陷的影響機制，為船用發動機鋁合金構構件增材制造應用奠定基礎。相關研究成果以“Relationship between process parameters and defects in laser powder bed fusion additive manufacturing of crack-sensitive Al-Cu-Mg alloy” 為題在冶金領域高水平期刊Metallurgical and Materials Transactions A發表。上海船舶動力創新中心有限公司孫騰騰博士和上海交大碩士生王子謙為共同一作；王洪澤副教授和吳一副教授為共同通訊作者；共同作者還包括博士生魏強龍、本科生王詩淼、之江實驗室孔令雨、姜紅建、上海交大汪明亮副研究員、唐梓玨助理研究員、孫華助理研究員與王浩偉講席教授。
工藝參數對裂紋的影響
研究人員通過不同工藝參數組合（激光功率、掃描速度、掃描道次間距等）下的單道單層沉積實驗驗證了工藝參數對熔池形貌以及凝固裂紋萌生過程的影響，同時發現激光功率對熔池尺寸的影響相較于掃描速度更強。結合單道多層沉積實驗結果發現沿材料沉積方向的Al-Cu-Mg合金組織可以大致劃分為靠近基板附近的細柱狀晶區域，中部的粗大柱狀晶區域和頂部的細等軸晶區域，這與多層沉積過程中不同位置的冷卻速度差異高度相關。
▲圖1：單道單層沉積實驗結果
▲圖2：單道多層沉積實驗結果
通過對多道多層沉積制備的塊狀樣品進行成形缺陷表征，確定了激光粉末床熔化成形Al-Cu-Mg合金的缺陷演變過程，明確該類合金中的缺陷主要為形狀不規則未熔合孔洞，形狀規則、尺寸細小的氣孔，尺寸為幾十微米的熔體補縮不足短裂紋以及從數百微米到幾毫米長的凝固收縮長裂紋。同時以體積能量密度、試樣相對密度為標準對成形質量和工藝參數之間的映射關系進行總結，發現在426~681J/mm3的能量密度下樣品具有最好的成形質量。
▲圖3：不同工藝參數下致密度演變
本研究通過對各類缺陷的形成過程進行深入討論分析，最終成功獲得激光粉末床熔化成形Al-Cu-Mg合金的成形工藝圖譜，給出了針對不同激光功率、掃描速度、掃描道次間距的工藝參數組合與缺陷演化的快速簡易篩選方法，可有效指導高致密、無裂紋鋁合金的增材制造工藝選擇。
▲圖4： Al-Cu-Mg合金激光粉末床增材制造成形工藝圖譜
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