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高强铝合金的激光3D打印技术研究进展

导读: 作为战略性新兴产业,3D打印技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术,被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式。作为战略性新兴产业,3D打印技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术,被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。金属激光3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。其中基于自动铺粉的激光选区熔化成形技术(Selective Laser Melting,SLM)主要特点是加工精度高、后续几乎不需要机械加工,可以直接制造各种复杂精密金属零件,实现结构功能一体化、轻量化,在航空航天、生物医疗制造等领域有广泛的应用需求。

目前,SLM技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、钴铬合金和少量强度不高的铝合金等材料体系。高强铝合金,作为一种在工业领域有着广泛应用的轻质材料,在SLM领域的需求日益旺盛。但是与其他已经成功应用于SLM的材料相比,高强铝合金具有较高的导热率以及对激光较高的反射率,且合金化程度高,结晶范围宽,使得其SLM成形存在有很强的热裂倾向,严重限制了其工程应用。

为解决现有SLM成形高强铝合金材料的热裂问题,武汉光电国家实验室激光先进制造研究团队的博士生张虎、聂小佳等在朱海红教授的指导下,从传统铝合金材料设计的角度出发,通过在SLM成形高强铝合金中添加微量元素的方法,获得了致密无裂纹的试样。在成功抑制热裂纹的同时,SLM成形效率大幅提升;与原有粗大的柱状晶显微组织不同,微量元素改性后的组织为1mm量级的等轴晶;在细晶强化和析出强化的共同作用下,极限抗拉强度提升12%。

图 微量元素对SLM成形高强铝合金裂纹、组织和力学性能的影响

该研究成果突破了现有SLM技术成形高强铝合金的工艺瓶颈,有望加速铝合金材料在激光3D打印领域的工业化应用。2017年6月,该研究成果“Effect of Zirconium addition on crack, microstructure and mechanical behavior of selective laser melted Al-Cu-Mg alloy”发表在金属冶金工程领域期刊Scripta Materialia(IF:3.305,DOI:10.1016/j.scriptamat.2017.02.036)。该研究工作得到国家自然科学基金(编号:61475056)的支持。

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