我國學者實現了采用SLM技術製造Al-Cu-Mg合金的Ti改性技術的新穎製造，可以實現無裂紋的製備，同時基於(yu) 熱動力學的模擬技術模擬了裂紋的敏感性指數和生長-限製指數。我們(men) 發現在Al-Cu-Mg合金中引入Ti進行改性可以有效的促進晶粒細化和柱狀晶向等軸晶的過渡，其原因是Al3Ti的析出相的非均勻形核造成的。在Ti 改性後，由於(yu) 均勻的形成和細小的等軸晶的顯微組織，可以排除熱裂紋的形成。我們(men) 在Ti改性之後，得到的這一合金的拉伸強度可以高達426.4MPa，屈服強度可以達到293.2MPa，韌性為(wei) 9.1%。這一新穎的Ti改性Al合金所具有的細小的等軸晶晶粒和得到提高的機械性能為(wei) 采用SLM技術打印輕質材料提供了一個(ge) 新的成分空間。

圖 1 SLM製造的鋁合金的3D金相組織圖：（a）Al-Cu-Mg 合金；（b）Ti/Al-Cu-Mg 合金，（Z表示的是製造方向)

SLM作為(wei) 一種激光增材製造技術，為(wei) 製造金屬部件，尤其是複雜結構的金屬部件的製造，提供了無盡的機會(hui) 。鋁合金由於(yu) 具有高比強度，耐蝕性和低的製造成本而廣泛的應用在工業(ye) 中。在當前，大多數采用SLM技術進行製造的鋁合金都取材於(yu) 現有的鋁合金，而現有的鋁合金一般是為(wei) 鑄造或鍛造所設計的，這一設計理念對於(yu) SLM工藝來說所具有的兼容性和SLM所具有的極端快速的凝固特性是不適應的。

圖2 SLM製造的Al-Cu-Mg合金的顯微組織：(a) 橫截麵的SEM組織；(b) 網絡結構的TEM明場像; (c) Al, Mg 和Cu元素的EDS麵分布圖; (d) Al2Cu複合相的TEM照片； (e) Al2Cu和α-Al基材之間界麵處的HRTEM照片及其相應的FFT模式

在當前，大多數的關(guan) 於(yu) SLM製造鋁合金的研究局限在Al-Si係列鑄造合金的製備上，如AlSi10Mg和AlSi12。這些鑄造的Al-Si合金的近共晶成分具有一個(ge) 非常窄的凝固溫度範圍，從(cong) 而極大的減少了在激光增材製造的過程中產(chan) 生裂紋的危險。SLM製造AlSi10Mg 和AlSi12部件，據報道幾乎是完全致密的和由於(yu) 晶粒的細化和獨特的介觀結構而具有中等的強度。盡管上述Al-Si鑄造合金在SLM進行製造的時候也具有優(you) 異的成形性能。

但卻不能替代變形鋁合金，因為(wei) 變形鋁合金具有優(you) 異的機械性能，即高強係列的7000係合金和具有較好熱抗力的2000係合金。然而，增材製造現有的變形鋁合金經常伴隨著柱狀晶的存在和嚴(yan) 重的熱裂紋傾(qing) 向，這是因為(wei) 增材製造過程中的快速冷卻速率和SLM所造成的巨大的溫度梯度的原因。許多人嚐試采用工藝參數優(you) 化的辦法來SLM製造高性能的變形鋁合金，如現有的6061係的Al-Mg-Si合金和7075(Al-Zn-Mg-Mg) 鋁合金，但大多數都沒能消除熱裂紋傾(qing) 向。Zhang等人采用SLM技術成功的製造了無裂紋的高強度的Al-Cu-Mg合金。

比較遺憾的是，該製造過程依然經受著裂紋敏感性的問題，這是因為(wei) 工藝窗口比較窄以及柱狀晶的生長問題。SLM工藝在快速熔化和冷卻過程中的非平衡凝固是非常關(guan) 鍵的。隻有當成分符合SLM的動力學冶金特征的時候，才能成功的采用SLM技術進行製造。因此，非常有必要發展改性成分的時候SLM技術進行製造的特定鋁合金。

圖3 SLM製造的合金的側(ce) 視圖的EBSD方位圖：(a) Al-Cu-Mg和 (b) Ti/Al-Cu-Mg 樣品; (c) 晶粒尺寸的分布，極圖表麵SLM製造的合金的方位　(d) Al-Cu-Mg 和 (e) Ti/Al-Cu-Mg合金; 以及合金樣品的錯位角度的分布　 (f) Al-Cu-Mg 和 (g) Ti/Al-Cu-Mg樣品.

休斯實驗室（HRL，Hughes Research Laboratory ）的研究顯示激光增材製造的無裂紋鋁合金可以通過引入額外的孕育劑來控製凝固。鋁合金粉末塗敷上ZrH2納米顆粒的時候，可以采用SLM技術成功的製備出無裂紋的6061和7075鋁合金，這是因為(wei) 原位形成的Al3Zr顆粒的非均勻形核造成的。這一Zr/Sc改性的辦法提供了一個(ge) 製造無裂紋鋁合金的參考。2Wt%的Zr改性的Al2024合金，據報道可以獲得無裂紋的合金，其極限拉伸強度為(wei) 大約450MPa。

然而，其失效時的斷麵收縮率從(cong) 6%降低到大約3%，這是因為(wei) 形成了極端脆性的Al3Zr金屬間化合物。當Zr含量降低到0.6wt%的時候，Zr改性的Al 2024合金呈現出其韌性超過11%，其強度達到495MPa。Zr/Sc改性的Al-Mg合金和Al-Mn合金在采用SLM進行製造的時候，呈現出高強度和高韌性，此時為(wei) 低含量的Zr/Sc添加量。然而，低含量的Zr/Sc添加會(hui) 導致孕育的不充分的非均勻形核和晶粒細化不充分，從(cong) 而造成熱裂紋敏感性的傾(qing) 向降低不明顯。因此，為(wei) 了解決(jue) 高的裂紋生成傾(qing) 向性和SLM製造時柱狀晶的形成問題，新的材料成分設計以進一步的開拓以拓展SLM進行打印的材料範圍。

圖4 形成細小的等軸晶的 Ti/Al-Cu-Mg的示意圖

在當今的2000係列的鋁合金當中，如2024 (Al-4.3Cu-1.5Mg-0.6Mn)和 2014 (Al-4.3Cu-0.5Mg-0.8Si-0.8Mn)合金，在100 °C以下具有優(you) 異的機械性能。耐熱鋁合金也應用在高溫場合，這一場合應用具有較低的Cu含量。然而，鋁合金中的Cu含量較低的時候，如大約為(wei) 2Wt%的時候，在凝固的過程中具有較大的裂紋傾(qing) 向。在傳(chuan) 統的鑄造鋁合金中，融合Ti是一種常見的辦法來促進晶粒的細化。SLM工藝被認為(wei) 是一種微小區域的鑄造過程。

此外，Ti元素來替代稀土元素進行晶粒細化，就比稀土擁有更多的資源實現這一目的，同時Ti還比較便宜。引入Ti到鋁合金中被認為(wei) 是一種潛在的減少SLM製造過程中的鋁合金裂紋的辦法。Ti引入後對SLM製造鋁合金所產(chan) 生的顯微組織和機械性能的影響還很少見到研究。因此，本文研究Ti改性的 Al–2.25Cu-1.8Mg 鋁合金所具有的細化的等軸顯微組織和高強改性的鋁合金的通過熱動力學計算和顯微組織表征進行了詳細的探討。

主要結論

基於(yu) 熱動力學計算，一種新穎的無裂紋的加入1.5WT%進行改性的Al-Cu-Mg合金發展起來用於(yu) SLM製造。熱動力學計算表明Ti的添加強有力的提高了生長限製係數，但對裂紋敏感性指數的影響比較小。通過實驗方法，裂紋的形成的抑製被SLM製造Ti/Al-Cu-Mg合金部件所證實。除了Al-Cu-Mg中的Al2Cu析出相和 α-Al 基材之外，在SLM製造Ti/Al-Cu-Mg合金部件的時候，還存在Al3Ti納米顆粒 [(112) Al3Ti//(111) α-Al] 。

Ti的添加可以有效的促進Al-Cu-Mg合金晶粒細化和柱狀晶向等軸晶的轉變，這是因為(wei) Al3Ti顆粒所提供的非均勻形核的效應造成的。SLM製造Ti改性的Al-Cu-Mg合金擁有的極限拉伸強度為(wei) 426.4±6.4MPa，屈服強度為(wei) 293.2±7.4MPa，斷麵收縮率為(wei) 9.1±0.7%。然而，SLM製造的Al-Cu-Mg合金的極限拉伸強度僅(jin) 僅(jin) 隻有173.2±20.3MPa，斷麵收縮率為(wei) 不超過2%，這是因為(wei) 熱裂紋所造成的。

圖5 (a) Schematic diagram of cracking mechanism in the在 Al-Cu-Mg合金中的裂紋形成機製的示意圖 alloy; (b) SEM 照片image and (c) IPF 圖顯示Al-Cu-Mg合金的裂紋區域的顯微組織map showing the microstructure in the cracked zone of Al-Cu-Mg alloy; (d) SEM 照片和 (e) IPF map of Ti/Al-Cu-Mg 合金中包含細小的等軸晶粒且無裂紋的IPF照片alloy consisting of fine equiaxed grains without cracks.

文章來源：A novel crack-free Ti-modified Al-Cu-Mg alloy designed for selective laser melting,Additive Manufacturing，Volume 38, February 2021, 101829,