《Acta Materialia》激光熔化制造铝合金热裂纹问题的解决方法！

　　导读：本文提出了一种在激光熔化（LBM）制造过程中消除铝合金热裂纹现象的方法，研究主要以6061铝合金为例。6061是一种沉淀强化铝合金，以镁和硅为主要合金元素。这种合金具有出色的重量/强度比和高导热率，因而通常用于航空工业和汽车行业。但是，在LBM加工过程中，特别容易产生热裂纹。本文提出的解决方案是诱导晶粒细化，以避免形成大的柱晶结构。

　　近年来，为了获得具有优秀力学性能的致密零件，大量研究聚焦于优化LBM的工艺参数。但是，可以用于这种工艺的材料仍然相当有限，当今最相关的是TA6V，316 L，Inconel 718和AlSi10Mg。只有少数的Al-Si基铸造合金实现了无裂纹制造。对于可焊性差的锻造铝合金，由于工艺过程中存在促进柱状晶生长，并因此引起热裂纹的高温度梯度，LBM技术的应用受到很大限制。对于Al6061和Al7075，LBM的开裂现象尤其严重。

　　来自法国学者Mathieu Opprecht等人的最新研究表明，添加一定数量的钇稳定氧化锆（YSZ）可以诱导晶粒细化，改变3D打印6061铝合金材料的微观结构，从而消除热裂纹现象。相关论文以题为“A solution to the hot cracking problem for aluminium alloys manufactured by laser beam melting”于近日发表在Acta Materialia。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.015

　　像大多数增材制造（AM）工艺一样，激光熔化（LBM）也是一种逐层制造技术。每个粉末层根据所需的几何形状由聚焦的激光束熔化。LBM的应用潜力主要为：在大多数情况下，这种技术无需定制模具，即可生产复杂的功能部件。此外，粉末可以回收利用，减少了制造过程中产生的浪费。

　　对于焊接工艺和LBM工艺中的这两种凝固过程，产生热裂纹的原因大体相似。在这两种情况下，工艺参数都会引起热应力，是造成裂纹的关键因素。但是，似乎不太可能在LBM工艺中根据这一思路找到简单的解决方案，因为在3D打印的工业实践中无法对热应力加以控制。要想显著降低热应力，就需要大幅降低温度梯度，而在LBM工艺中，无法通过工艺参数或环境的改变实现这一目标。其次，在热处理过程中，用于产生强化相的合金元素通常会增加凝固温度范围，在之前的研究中，这一点也是十分不利的。此外，在3D打印工艺中，高温度梯度通常会引起沿构造方向拉长的柱晶结构，促进热裂纹现象的产生。

　　在本文研究中，研究人员使用干混工序将不同数量的钇稳定氧化锆（YSZ）添加到Al6061基础粉末中（所用设备TurbulaⓇ）。实验发现，晶粒细化效果取决于添加的YSZ量。从1％（体积分数）开始，SEM和EBSD图像显示出呈双峰分布的等轴柱状晶粒的微观结构。结果表明，添加2％（体积分数）的YSZ可以完全避免熔池边界上的裂纹。本文基于TEM和DRX研究为3D打印过程中添加剂的使用提供了新的见解。文章在许多现有的凝固模型的基础上讨论了实验结果，重点讨论了实现等轴凝固方案的必要条件。

　　图1.不同体积分数的混合粉末SEM 图像 (a)0.05% ; (b) 0.2%; (c) 1%; (d) 2%; (e) 4%.

　　图2.光学显微照片显示了YSZ添加后热裂纹敏感性的变化

　　图3.每单位面积的总裂纹长度与YSZ添加量的关系

　　图4.不同YSZ体积分数，EBSD图像（灰度等级+粗线表示的晶界）展现的微观结构

　　本文认为，需要后续工作进一步研究打印材料的力学性能，如：Al3Zr沉淀相和晶粒结构的影响。此外，关于这种新型合金，另一个有意义的研究角度是后期热处理。研究表明，大量的Zr富集于固溶体中。通过适当的时效处理，预期会沉淀出纳米Al3Zr相，从而使基体变硬。

　　综上所述，根据现有的实验结果，该方法还可应用于其他对热裂纹敏感的铝合金LBM工艺。这项工作实现了迈向完全等轴晶结构的第一步，对材料力学性能的提升十分有益。