激光選區熔化（Selective Laser Melting, SLM）是基于粉末床的典型金屬增材制造技術之一。變形鋁合金（Al-Cu-Mg）具有質量輕、比強度高、耐腐蝕等優異性能，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等制造領域。然而SLM變形鋁合金面臨嚴峻的成形難題，微熔池快速冷卻過程中極易產生球化、孔隙、裂紋等冶金缺陷。

        針對上述SLM變形鋁合金微觀缺陷難抑制的問題，華中科技大學史玉升教授團隊聯合愛爾蘭都柏林圣三一大學殷碩教授團隊，通過熔池溫度場、應力場和速度場的數值模擬與微觀組織表征，揭示了變形鋁合金SLM過程中球化、孔隙和裂紋的形成與冶金行為演變機制。最后，從材料設計和工藝創新的角度討論了冶金缺陷的抑制方法，為理解變形鋁合金的致密化行為和SLM成形變形鋁合金的粉末材料與工藝設計提供了重要參考。

本期谷.專欄將分享以上研究工作的創新點。

相關論文發表在Advanced Powder Materials
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035

 創新點

I 從熔池溫度場、流動場角度揭示了SLM成形變形鋁合金的孔隙形成機制

激光能量密度是決定樣品孔隙率的關鍵因素。

如圖1所示，能量密度過低時，金屬粉末熔化不充分，掃描軌跡不連續或不穩定；能量密度過高時，過高的流速導致大量熔體飛濺，熔池狀態不穩定，造成過度球化與過燒，且熔池表面湍流卷入氣體，最終形成孔隙。

圖1 不同能量密度下SLM掃描軌跡與熔池熱流動形貌

從熔池應力場、晶粒組織結構角度揭示了SLM成形變形鋁合金的裂紋形成機制。

SLM成形變形鋁合金時，熔池邊緣與熱影響區形成應力集中，誘導的應力超過了變形鋁合金的強度極限，造成基體撕裂形成裂紋。此外SLM熔池內極高的溫度梯度導致粗大柱狀晶組織的形成，柱狀晶間的殘余液膜在凝固末期發生凝固收縮或熱收縮，在晶界處形成大量硬脆屬性的網狀析出物，引發裂紋（圖2）。

圖2 基于應力集中與柱狀晶組織的裂紋形成機理

圍繞SLM成形鋁合金材料、工藝、后處理與組織性能等關鍵科學問題，團隊開展了一系列SLM鋁合金設計與制備研究，揭示了SLM成形鋁合金缺陷形成機制，闡明了SLM工藝參數對微觀組織的影響規律，提出了面向SLM快熱快冷工藝特點的粉末材料設計方法，形成了幾類高性能鋁合金粉末的制備方法，開發的SLM專用AlCuMgTi、AlMgSc等系列鋁合金粉末，解決了傳統牌號鋁合金的開裂難題，力學性能較傳統鋁合金提高35%以上，在中國航發、美國波音公司等單位關鍵零件上取得應用，增材制造產品合格率提高25%。

I 近年來SLM成形鋁合金相關研究成果如下：

1. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35, 270-284. (ESI高被引，熱點)
2. Materials Science and Engineering: A, 2019, 739: 463-472. (ESI高被引)
3. Additive Manufacturing, 2021, 38, 101829. (ESI高被引)
4. Powder Technology, 2017, 319:117-128.
5. Advanced Engineering Materials, 2019, 21, 1800650.
6. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 810, 151926.
7. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 41, 199-208.

l 論文作者團隊
張金良、宋波、史玉升等
l 論文信息
Jinliang Zhang, Weihao Yuan, Bo Song, Shuo Yin, Xiaobo Wang, Qingsong Wei, Yusheng Shi. Towards understanding metallurgical defect formation of selective laser melted wrought aluminum alloys.Advanced Powder Materials.https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035
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