在目前使用的多数合金中，适合LPBF工艺的金属材料范围非常有限。比如铝合金LPBF只能用于制造有限的Al-Si 系列铸造铝合金，如AlSi10Mg和 AlSi12，然而这些合金的强度不足，无法用于航空航天和汽车应用。由于机械性能有限，这些合金通常被归类为制造复杂的空腔或拓扑晶格结构部件。高强度铝合金是指具有优异强度和硬度的材料，主要包括二和七系列的合金。此类材料应用于多个领域，包括飞机机身结构、汽车车身部件、自行车车架和船舶部件等。
高强度铝合金的常规加工方法包括铸造和塑料加工技术。由于高强度铝合金固有的凝固范围宽且焊接性能差，这些合金在 LPBF 加工过程中往往会出现微裂纹，从而导致零件的结构完整性较差，因此需要对高强度铝合金的 LPBF 进行系统研究。铝合金中的裂纹抑制可以通过引入额外的孕育剂来控制凝固来实现，例如TiB2、Sc、Zr等，但是添加上述孕育剂需要相当长的时间来准备原材料且原材料昂贵，这大大降低了大规模工业生产的效率。
山东大学韩泉泉教授团队开发一种抑制LPBF成形高强度铝合金 裂纹缺陷的新方法。通过高效的双离心粉末混合方法将 TC4 和 B 粉末掺入合金中，然后在 LPBF 过程中原位生成 Al₃Ti 和 TiB₂，对 Al7075 合金产生强化作用，从而得到具有优异抗拉强度、良好延展性和优异成形性的合金。通过熔池动力学模拟和实验研究相结合，获得了最佳LPBF成形工艺。系统研究了 TC4和 B 含量对 LPBF 制备的改性 Al7075 （Al7075-M） 铝合金的成形性、微观组织演变和力学性能的影响。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111940
主要附图
图1.粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像和粒度分布：（a）Al7075 粉末；（b）Al7075 粉末粒度分布；（c）TC4 粉末；（d）B 粉末；（e）低倍率下的 Al7075-M 复合粉末；（f）高倍率下的 Al7075-M 复合粉末；（g）粉末混合过程。
图2.模拟中使用的模型示意图。
图3.采用激光选区熔化（LPBF）技术制备的合金的光学显微照片（OM）：（a）Al7075 合金；（b）Al7075-M 合金；（c）扫描速度和扫描间距对Al7075-M 合金相对密度的影响；（d）Al7075-M 合金的横截面光学显微照片。
图4.（a - b）扫描速度对熔池温度的影响：（a）600 mm/s；（b）450 mm/s；（c - d）熔池内的最高温度以及在（c）600 mm/s时 A 点、（d）450 mm/s时 B 点的温度变化。
图5.（a - b）扫描速度对未熔化的TC4体积分数的影响：（a）450 mm/s；（b）600 mm/s；（c - d）在以450 mm/s进行单道扫描期间，t = 750μs时熔池演变的横截面视图：（c）C截面；（d）D截面。
图6.所制备试样的扫描电子显微镜（SEM）显微照片：（a）Al7075试样；（b）Al7075-M试样；（c）（b）图中黄色矩形所标示区域的铝（Al）、钛（Ti）和硼（B）元素的高分辨率图像及能谱仪（EDS）元素分布图。
图7.反极图（IPF）-Y映射图及晶粒尺寸分布图像：（a）Al7075试样；（b）Al7075-M试样；（c）T6热处理态的Al7075-M试样。
图8.（a）所制备的Al7075 -M试样的高角环形暗场探测器（HAADF）显微照片及能谱仪（EDS）元素分布图；（b）（a）图中标示的A点的能谱仪（EDS）分析结果；（c）所制备的Al7075 - M试样的透射电子显微镜（TEM）明场图像；（d）选区电子衍射（SAED）花样；（e）所制备的Al7075 - M试样的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；（f - g）（e）图中方框所标示区域的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像。
图9.（a）所制备的Al7075 -M试样的透射电子显微镜（TEM）明场图像；（b）选区电子衍射（SAED）花样；（c）所制备的Al7075 - M试样的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。
图10.不同热处理条件下试样的拉伸性能。
图11.（a）拉伸工程应力-应变曲线；（b）通过激光选区熔化（LPBF）技术制备的不同铝-锌-镁合金之间的力学性能比较。
图12.（a）Al7075合金；（b）Al - 7075M合金的凝固曲线（通过Thermo - Calc生成）；（c）Al7075合金与Al - 7075M合金之间的对比。
图13.（a）D022 - Al₃Ti；（b）L12 - Al₃Ti；（c）铝；（d）TiB₂的晶胞示意图。
图14.（a）未经任何改性的激光选区熔化（LPBF）制备的Al7705合金的典型柱状晶结构示意图；（b）由TC4粉末诱导的晶粒细化情况；（c）TC4粉末和B粉末协同诱导的晶粒细化情况。
图15.霍尔 - 佩奇（Hall -Petch）强化、位错强化、固溶强化和奥罗万（Orowan）强化对屈服强度（YS）的贡献。
主要结论
（1）在制备的Al7075合金中形成了宏观裂纹，导致其极限抗拉强度（UTS）和延伸率较差，分别为47MPa和0.4%。通过高速混合将0.9%（重量比）的亚微米级B和2.3%（重量比）的微米级TC4颗粒添加到Al7075合金中，消除了Al7075 - M合金内的热裂纹。发现制备高密度试样的最佳激光选区熔化（LPBF）参数为：扫描间距120 μm、扫描速度450 mm/s，且层厚30 μm。
（2）在Al7075 - M试样中，发现大量的L12 - Al₃Ti和TiB₂在晶粒内部以及晶界处形成，这表明在LPBF工艺过程中，TC4与Al7075以及B之间分别发生了原位反应。由于L12 - Al₃Ti、TiB₂和α - Al之间的相互作用，形成了晶格失配较小的共格晶面，从而导致了显著的晶粒细化。
（3）TC4和B颗粒的添加改善了Al7075合金的力学性能。这种改善主要归因于裂纹消除、晶粒细化以及Al₃Ti和TiB₂的沉淀强化的综合作用。经过优化的T6热处理后，Al7075 - M材料的极限抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）值分别为460 MPa和359 MPa，且延伸率较高，达到13.0%。
作者简介
韩泉泉，山东大学机械工程学院教授、博士研究生导师，山东省优秀青年基金获得者、齐鲁青年学者。韩泉泉教授2017年获得英国卡迪夫大学博士学位，长期从事先进材料设计（高温合金、铝合金）、增材制造新工艺与装备前沿研究。连续3年入选全球前2%顶尖科学家榜单，主持国家自然科学基金、国防173技术领域基金课题、山东省优秀青年基金项目等，兼任中国有色金属学会增材制造专委会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员，SCI期刊《Manufacturing Letters》编委、《Additive Manufacturing Frontiers》青年编委，《Smart Manufacturing》客座编辑，申请和授权发明专利15项，其中2项实现成果转让，编制增材制造团体标准1项，发表SCI学术论文60余篇，研究成果获山东省机械工业科学技术奖一等奖（排第1）。
个人资料来源：https://www.mech.sdu.edu.cn/info/1153/130430.htm
刘含莲，山东大学机械工程学院，教授，博士研究生导师，中国刀协切削先进技术研究分会常务理事，山东大学先进射流工程技术研究中心副主任。国家自然科学基金同行专家评议人，山东省科技计划项目评审专家，中国博士后基金项目评审专家，教育部“留学回国人员科研启动基金”评审专家。主要致力于新型高性能陶瓷刀具、硬质合金（涂层）刀具、耐高温结构件等的设计制备与机理研究；高效加工技术与切削性能评价、摩擦磨损、增材制造等，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目等国家级和省部级项目十余项。发表SCI论文一百余篇，授权发明专利四十余项。获教育部技术发明一等奖一项，中国机械工业联合会发明二等奖一项。
个人资料来源：https://www.mech.sdu.edu.cn/info/1131/121132.htm
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