本文研究了高強度鋁合金增材製造麵臨(lin) 的挑戰和混合增材製造的發展現狀。本文為(wei) 第二部分。

3.增材製造高強度鋁合金的局限性與(yu) 缺陷

有幾個(ge) 因素限製了高強度鋁合金的AM加工性能，並限製了高強度鋁合金航空航天部件采用該技術。主要原因是AM加工過程中出現的冶金表麵缺陷、資格認證（Q&C）程序和全球公認標準的不足以及這些合金的測試和驗證的困難。此外，目前隻有極少數鋁合金可以進行適當的AMed，而5500多種可用合金中的絕大多數不能進行AMed，這是因為(wei) 產(chan) 生了顯示相對較大柱狀晶粒的不良微觀結構。

特別是，2xxx和7xxx係列合金很難通過AM進行加工，因為(wei) AM加工過程中發生的熱力學循環會(hui) 導致凝固相關(guan) 問題。這些合金需要對其化學成分進行修改，以克服這一問題。在AMed 2xxx和7xxx高強度鋁合金產(chan) 品中觀察到各種類型的缺陷。為(wei) 了消除或避免缺陷並克服加工困難，人們(men) 對這些合金的工藝開發非常感興(xing) 趣。本節首先回顧了限製高強度鋁合金AM加工性能的主要因素，以及采用AM工藝生產(chan) 高強度鋁合金航空航天部件的情況。然後，回顧了航空航天高強度鋁合金AM中的主要缺陷類型，最後提出了減少或消除這些缺陷的方法。

3．1. 限製

為(wei) 什麽(me) AM工藝沒有更大程度上用於(yu) 生產(chan) 結構部件的高強度鋁合金航空工業(ye) 有幾個(ge) 原因。AM工藝受到部件尺寸和生產(chan) 速度的限製，其生產(chan) 速度約為(wei) 40 mm3/h，因此在大型航空部件的生產(chan) 中還沒有競爭(zheng) 力。例如，由AM工藝生產(chan) 的最大的航空零件重約750公斤，長4.7米，寬1.7米，高0.5米。該部件旨在作為(wei) AM在下一代波音777x飛機部件生產(chan) 中應用的示範。

然而，將該部件的長度(5.3米)與(yu) 波音747的翼展(64.3米)進行比較，可以看出需要縮小的生產(chan) 尺寸差距。航空航天的兩(liang) 個(ge) 最關(guan) 鍵的優(you) 先事項是安全保證和風險管理，這要求航空航天部件的高精度和一致性。目前隻有少數現有的金屬調幅工藝能夠生產(chan) 尺寸公差為(wei) 30-40 μm的零件，如圖7所示。然而，航空航天公司要求的零件尺寸公差一般小於(yu) 10 μm。因此，航天零件的尺寸精度並不是每次都能達到所要求的尺寸精度，為(wei) 了達到所要求的尺寸而對多餘(yu) 的零件進行加工會(hui) 增加製造工序和成本。

圖7 在某些調幅過程中可達到的最大尺寸精度。

隨著航空航天零部件臨(lin) 界水平的提高，Q&C要求也隨之增加，即對發動機、螺旋槳、渦輪葉片等任務關(guan) 鍵部件具有重要意義(yi) 。由於(yu) 缺乏Q&C以及在對AMed鋁合金構件進行機械測試和驗證時存在的局限性，阻礙了對這些構件采用AM工藝。在航空航天工業(ye) 中應用AM的Q&C規則仍在製定中。認證指南的主要複雜性是缺乏對加材製造航空航天部件的失效機製，特別是疲勞失效的了解。Q&C的缺乏可以通過將現有已證實的方法與(yu) 專(zhuan) 注於(yu) am特定處理問題的方法的發展相結合來克服。

Q&C景觀示意圖。

上圖中的示意圖展示了Q&C景觀的高級元素。在技術實施的早期階段，行業(ye) 通常必須完全依賴內(nei) 部專(zhuan) 有材料和工藝規範來進行內(nei) 部資格鑒定工作和監管機構的認證。開發這樣的內(nei) 部文件通常是冗長和昂貴的。當sdo開發適當的規範和標準時，公司可以在內(nei) 部文檔和外部文檔之間進行選擇。一般來說，使用業(ye) 界接受的外部規範和標準可以簡化管理機構的工作，並通過在整個(ge) 業(ye) 界為(wei) 諸如AM等新技術的關(guan) 鍵要素建立最低限度可接受的要求方麵“公平競爭(zheng) ”來提高安全。例如，對使用該技術感興(xing) 趣，但可能沒有足夠的資源來開發全麵的內(nei) 部規範或標準的小型公司，可以使用外部文檔來實現健壯的Q&C流程。

最近，建立了一些與(yu) 金屬AM相關(guan) 的標準。然而，隻有少數如SAE AS9100和MSFC-STD-3716適用於(yu) 調幅和混合調幅的航空航天應用。由於(yu) 全球公認標準的不足，阻礙了對調幅和混合調幅的采用，製造商已經集中精力開發這樣的標準，以擴大這些工藝在航空航天工業(ye) 鋁合金的采用。現有的機械測試和驗證方法可能不適用於(yu) AM和混合AM加工的高強度鋁構件。例如，在AM加工過程中，由於(yu) 熱、化學和物理現象同時發生的複雜性，用於(yu) 調查缺陷(如空洞形成、氣體(ti) 夾雜和裂紋)的無損檢測可能是有問題的。由於(yu) 預計由AM加工的航空部件的重要性將會(hui) 增加，需要付出更多的努力來開發新的特定的測試程序，以考慮AM加工的獨特結果，如機械性能的各向異性。

３．２． 缺陷

由於(yu) 製造條件和合金本身的性能，2xxx和7xxx高強度鋁合金的AMed部分會(hui) 出現幾種類型的缺陷。常見的缺陷包括開裂、氣孔、球化和衛星化、揮發性合金元素的氧化和蒸發。

3.2.1.開裂

AM加工過程中出現裂紋的原因有多種，包括孔隙的存在（裂紋萌生點見圖8（a）），以及製造過程中加熱和凝固的影響。鋁合金AM加工過程中的開裂可分為(wei) 液化開裂和凝固開裂。液化是在加熱時對微觀結構的某些組分進行選擇性熔化。例如，熔點較低的第二相顆粒或具有高度偏析的晶界可能具有比基體(ti) 低得多的熔點，因此開始局部熔化，從(cong) 而導致這些位置的脫粘。液化開裂傾(qing) 向與(yu) 合金元素的高濃度和可熱處理鋁合金的高導熱特性以及高激光功率和/或高掃描速度有關(guan) 。相反，凝固裂紋發生在凝固的最後階段，此時沒有足夠的液體(ti) 流動來填充凝固金屬之間的間隙，而凝固金屬所占的體(ti) 積小於(yu) 液體(ti) 。

圖8 (a)在500w激光功率和1200mm /s掃描速度下對SLMed AA7075熱裂紋的掃描電鏡觀察，(b) SLMed AA7075的氣孔形成和熱裂紋的萌生。

裂紋與(yu) 較大的凝固範圍有關(guan) （ΔT=Tliquidus–Tsolidus）。在高強度鋁合金的AM中，凝固開裂是一種非常常見的現象，尤其是對於(yu) AA2xxx。由於(yu) 高強度鋁合金快速凝固過程中的裂紋敏感性，在AA2024、AA7050和AA7075等合金AM的幾項研究中對裂紋形成進行了研究，旨在消除裂紋產(chan) 生。在這些合金的凝固過程中，柱狀晶粒沿熱梯度方向擴展，並沿晶界收縮，導致裂紋形成。在凝固的最後階段，可以沿晶界觀察到凝固裂紋的形成和擴展。

3.2.2孔隙度

多孔性是高強度鋁合金熔鑄件中最常見的冶金缺陷之一，在激光作用下尤為(wei) 明顯。可分為(wei) 縮孔、氣孔和熔合誤差。有幾個(ge) 因素與(yu) 孔隙形成有關(guan) ，如掃描技術、熱裂解、掃描速度和使用的保護氣體(ti) 。即使優(you) 化了工藝參數，仍然可以觀察到一定程度的孔隙度。在SLM過程中，常見的孔隙類型有小孔和冶金孔。這些在激光掃描後形成的氣泡被困在零件表麵下。激光掃描速度快時，主要形成小孔孔(尺寸<100 μm且形狀不規則)，而掃描速度慢時，主要形成冶金孔(尺寸<100 μm且呈球形)。其他類型的氣孔可能是由於(yu) 鋁合金粉末不完全熔化或印刷的鋁層之間不適當的附著力造成的。Kaufmann等報道了AA7075的熱裂起源於(yu) 孔隙(圖8(b))。

3.2.3成球和衛星生成

考慮到表麵能最小化的原則，在AM工藝中，當與(yu) 基體(ti) 接觸較差時，由於(yu) 表麵張力，液態金屬可能收縮成球形幾何形狀。這種球形形成稱為(wei) 成球。由於(yu) 鑄球導致鋁合金表麵接觸不良，凝固層表麵粗糙，導致零件質量低下。高強度鋁合金的AM製球通常與(yu) 熔化和燒結過程有關(guan) 。高強度鋁合金AM過程中液滴飛濺和潤濕性差也會(hui) 引起球化現象。當較低熔體(ti) 池中達到足夠的熔點時，球化傾(qing) 向於(yu) 被抑製。衛星生成是另一種表麵缺陷，在微觀結構和形貌方麵與(yu) 球化略有不同。衛星表麵缺陷與(yu) 球不同，它是由一些粘在表層的粒子組成的。因此，衛星編隊高度依賴於(yu) 掃描策略和參數。Aboulkhair等人的研究中，在掃描速度為(wei) 250mm/s時，觀察到的SLMed AlSi10Mg中的衛星形成少於(yu) 在500mm/s或750mm/s時的衛星形成。在以750mm/s激光掃描速度對AlSi10Mg合金進行SLM後觀察到的大量成球和衛星生成如圖9（a）所示。

圖9 AMed零件的表麵缺陷:(a)在750 mm/s掃描速度下SLM中高強度AlSi10Mg的成球，(b) SLMed AA6061的氧化膜形貌的SEM圖像。

3.2.4.氧化

另一個(ge) 降低暴露於(yu) 激光熔化的AMed部件質量的問題是逐層構建、激光金屬沉積和燒結過程中的氧化（圖9（b））。鋁倍半氧化物的熱力學穩定性使得鋁合金粉末表麵生成的氧化膜難以去除。Louvis等人通過激光熔化AA6061和al–12Si合金，研究了熔池不同點的氧化皮形成機理。在他們(men) 的研究中，激光束照射後，位於(yu) 上熔池表麵的氧化皮蒸發。攪動熔池的Marangoni力也被確定為(wei) 氧化皮破裂的最可能原因。氧化皮殘留在熔池兩(liang) 側(ce) ，導致區域孔隙。不可能用保護氣體(ti) 完全填充零件製造的腔室，並且由於(yu) 鋁合金粉末內(nei) 的氣隙，剩餘(yu) 0.1–0.2%的氧氣。

在AM工藝中，除了零件的上表麵，每個(ge) 掃描層中都可能發生氧化。通過控製氧化膜的形成，可以調節通過激光熔煉生產(chan) 的鋁合金零件的質量。在采用激光熔化的AM工藝中，氧化也會(hui) 影響合金的粉末團聚。因此，鋁合金粉末在輥子上的分布不均勻，每個(ge) 輥道中的熔池都錯位，導致AMed零件的結構完整性和精度降低。因此，鋁合金成分不同區域的熔化和潤濕由氧化物的解離或破壞控製，而不是由不同區域的熔化控製。監測建築物容積中的氧氣水平可以防止爆炸，特別是在安全關(guan) 鍵AM應用中。為(wei) 此，氧氣分析儀(yi) 允許製造商控製建築體(ti) 積中的氧氣水平。

激光束在熔體(ti) 軌跡中的位置對濺射演化的影響示意圖:(a)激光束定位在熔體(ti) 軌跡上時，會(hui) 形成粉末濺射;(b)激光束定位在熔體(ti) 軌跡前麵時，會(hui) 形成液滴濺射。

從(cong) 使用原始粉末和氧化粉末的單層熔體(ti) 軌跡實驗中，我們(men) 觀察到在整個(ge) 熔體(ti) 過程中粉末噴射和液滴飛濺。我們(men) 的結果表明，激光-熔體(ti) 軌跡的相互作用產(chan) 生了激光誘導的蒸汽噴射和垂直於(yu) 熔體(ti) 軌跡表麵的反衝(chong) 壓力。根據實驗推測，該剝蝕帶呈反鍾形，含有高濃度的金屬蒸氣（見上圖）。高溫金屬蒸氣間接加熱周圍的氬氣，在裸露區內(nei) 產(chan) 生對流或向內(nei) 的氬氣流動，促進蒸汽驅動的粉末夾帶，以延長熔體(ti) 軌跡。

3.2.5揮發性合金元素的蒸發

在功率密度相對較高的AM工藝中，如果合金成分中某些元素的熔點低於(yu) 粉末合金的母材的熔點，這些元素就會(hui) 發生選擇性蒸發。蒸發引起的成分變化可以改變耐蝕性、機械性能和凝固組織。研究主要集中在高強度鋁合金SLM和PBF-L加工過程中揮發性合金元素的蒸發，如Zn、Mg和鋰(Li)，目的是延長這些合金的加工性能。Mauduit 等評估了幾種高強度鋁合金用於(yu) PBF-L的適用性。PBF-L工藝後化學成分的變化見表2，特別要注意Zn和Mg含量的顯著變化，用粗體(ti) 標注。

表2 PBF-L工藝後高強度鋁合金成分的化學成分變化(wt%)，重要的變化以粗體(ti) 突出顯示。

3．3． 減少或消除缺陷的方法

一些關(guan) 於(yu) 高強度鋁合金的研究表明，通過優(you) 化工藝參數或修改合金成分，可以生產(chan) 出幾乎(95%-99%)無缺陷的高強度鋁合金部件。額外的工藝特性，如熱處理、預熱和在真空中進行工藝，已被應用於(yu) 盡量減少或消除3.1節中所述的缺陷，並改善AMed部件的機械和冶金性能。

3.3.1增材製造工藝參數的優(you) 化

工藝參數的選擇和AM工藝參數的優(you) 化顯著影響最終部件的質量和機械及冶金性能。這些參數已在幾項研究中得到優(you) 化。例如，使用激光的AM過程中的裂紋可以與(yu) 高殘餘(yu) 應力的產(chan) 生聯係在一起。為(wei) 了減少高強鋁合金快速凝固過程中殘餘(yu) 應力的產(chan) 生，需要考慮最合適的掃描策略。提出了消除裂紋的最佳方法是在加工過程中通過原位合金化改變易裂紋鋁合金的成分。可以在熔池成分中加入額外的鋯(Zr)等合金元素，以縮小凝固溫度範圍。

熔煉方式是影響這些鋁合金熔煉性能的另一個(ge) 關(guan) 鍵因素。裂紋密度與(yu) 熔體(ti) 模式有關(guan) ，影響最後熔體(ti) 池的幾何性質。鋁合金熔煉采用兩(liang) 種熔煉方式，即小孔熔煉和傳(chuan) 導熔煉。在小孔熔煉過程中，利用較高的激光能量密度來實現材料的蒸發，蒸發後的材料產(chan) 生蒸發壓力，形成一個(ge) 凹陷。如果采用較低的能量密度，材料熔化的方式稱為(wei) 傳(chuan) 導熔化。然而，較低的激光密度可導致部分熔化和球化。因此，小孔熔化模式被確定為(wei) 減小裂紋密度的較好模式。Qi等指出了在激光熔化的AM工藝中，選擇小孔模式熔化al粉的重要性和作用。在保持其他掃描參數不變的情況下，驗證了小孔和傳(chuan) 導熔化模式在避免裂紋方麵的差異。在相同的掃描速度下，采用鑰匙孔熔化方式的AA7050的晶粒結構比采用傳(chuan) 導熔化方式的晶粒結構更細(圖10(a - c))，沿晶界擴展的裂紋也更少(圖10(b-d))。

圖10 SLMed AA7050的EBSD圖:(a,c)晶粒結構和取向，(b,d)裂紋形成。

基板預熱（也稱為(wei) 基板）是另一種通過降低熱梯度陡度來最小化殘餘(yu) 應力的方法；因此，殘餘(yu) 應力引起的變形可以最小化。為(wei) 了減少殘餘(yu) 應力和由此產(chan) 生的裂紋，可提供液態金屬，以回填形成的任何裂紋。用於(yu) 保護的惰性氣體(ti) 在液態金屬中是不溶的，因此可以觀察到由於(yu) 惰性氣體(ti) 滯留在固化池中而產(chan) 生的任何孔隙。Wang等認為(wei) ，當氦（He）用作保護氣體(ti) 時，機械性能較差，尤其是延展性較差。使用Ar或N進行屏蔽可提高機械性能，即極限抗拉強度和屈服強度分別提高20%和50%，與(yu) 不使用保護氣體(ti) 的相同工藝相比，伸長率增加了一倍。

Koutny等人研究了SLM過程中掃描麵積與(yu) 孔隙生成之間的關(guan) 係。AA2618中掃描麵積的增加導致更高的孔隙密度。為(wei) 防止出現氣孔，可選擇工藝參數的優(you) 化組合，包括掃描速度、熔化模式、粉末層厚度和激光功率。高能量密度有助於(yu) 產(chan) 生足量的液態金屬，以減輕成球。此外，溫度越高，液態金屬的流動性越高，從(cong) 而增加固化層的潤濕性。基板預熱還可以通過降低合金凝固過程中的收縮效應來增強基板和熔體(ti) 之間的潤濕性，從(cong) 而提供良好的機械粘合水平。

氧化皮的形成導致熔池表麵鈍化，從(cong) 而促進冶金缺陷，如氣孔。因此，消除鋁合金AM加工過程中氧化皮的形成至關(guan) 重要。可用於(yu) 防止氧化皮形成的方法包括在真空工藝環境或足夠低的氧分壓下進行印刷，以及在幹燥和涼爽的環境中儲(chu) 存鋁合金粉末。即使使用這些方法，到目前為(wei) 止，也無法實現完全沒有氧化皮的AMed零件。因此，需要采用新技術來減少或消除氧化皮的形成，以實現完全無氧化物的AMed鋁組件。降低或消除低蒸氣壓和熔點揮發性元素蒸發的方法包括選擇適當的掃描速度和中等激光功率組合。然後，可以調整AM過程中的熔池溫度以及使用的相關(guan) 能量密度。

3.3.2合金成分的改變和熱處理

通過與(yu) 熱處理相結合對合金成分進行改進，可以克服AM工藝中出現的一些缺陷，從(cong) 而獲得完全無缺陷且組織精細的合金成分。一些研究評估了在AA2xxx和AA7xxx合金中引入Zr和矽(Si)的成分改性，目的是改善這些合金的機械性能。例如，si改性的AA7075在160℃時效6h的拉伸試驗中，屈服強度提高了10%，極限拉伸強度提高了6.75%。類似的成分修飾方法也應用於(yu) 2xxx高強度鋁合金。Nie等研究了Zr的引入對al - cu - mg合金在83和167 mm/s的高掃描速度下晶粒尺寸的影響。這導致了相對較小的晶粒尺寸和非常好的機械性能;Zr添加量在0 wt% ~ 2.5 wt%之間對晶粒結構的影響如圖11所示。隨著Zr含量的增加，在較高的掃描速度下可以獲得理想的機械性能。

圖11 zr改性SLM處理Al-4.24Cu-1.97Mg-0.56Mn合金的EBSD圖譜:(a) 0 wt%- 83 mm/s， (b) 0.6 wt% - 83 mm/s， (c) 2 wt% - 167 mm/s， (d) 2.5 wt% - 167 mm/s。

4. 鋁合金混合增材製造工藝

4．1. 混合製造和混合增材製造

增材和傳(chuan) 統製造工藝的缺點和工藝限製，導致工業(ye) 界和學術界加大了克服這些挑戰的努力。製造過程的混合方法已經發展，其中不同的材料，機器和製造過程相結合。“混合製造”一詞在文獻中使用得有些鬆散和不一致。根據國際生產(chan) 工程學會(hui) (CIRP)，混合製造過程的定義(yi) 是:“混合製造過程是基於(yu) 過程機製和/或對過程性能有顯著影響的能源/工具的同時和受控的相互作用”。在這個(ge) 定義(yi) 中，“同時的和受控的交互作用”指的是在同一時間或同一製造區域內(nei) 或多或少發生的交互作用。近年來，混合製造工藝已在各種技術中得到應用，如混合等離子沉積與(yu) 銑削，混合分層製造，3D焊接與(yu) 銑削。

混合製造工藝可分為(wei) 幾種主要類型，即混合減法、混合變形、混合加法、混合加法+減法、混合接合+減法、混合加法+變形和混合減法+變形，其中“變形”指軋製等操作。作為(wei) 混合製造的子類別之一，混合增材製造（混合AM）可定義(yi) 為(wei) 多步驟製造，其中AM工藝與(yu) 其他生產(chan) 方法（通常為(wei) 減法和/或另一AM工藝）結合使用，以實現所需的材料性能，最終零件的設計和尺寸公差。

例如，與(yu) 傳(chuan) 統製造（CM）工藝相比，AM工藝仍然限製幾何精度和表麵質量，因此，CNC加工操作通常作為(wei) 混合AM工藝中的後處理步驟實施，以消除表麵粗糙度，提高尺寸精度，並移除某些AM過程中使用的支撐結構。因此，混合製造方法能夠生產(chan) 比單獨使用AM或傳(chuan) 統製造工藝更高精度的零件。混合AM的類別包括幾種不同的製造工藝和材料集成方法，例如：（i）加法和減法（AM對CM），（ii）加法和加法（不同AM工藝的組合），（iii）加法和加法（CM作為(wei) AM的後處理），（iv）用於(yu) 維修零件的AM，以及（v）混合式機器（單工序）。從(cong) 該列表和第4.2節可以看出，在某些情況下，混合AM涉及多個(ge) AM過程和/或使用多個(ge) 材料的AM操作，但在其他情況下，它涉及單個(ge) AM操作和一個(ge) 或多個(ge) CM過程。

混合AM工藝不同於(yu) 一般混合製造工藝，主要區別在於(yu) 混合製造將受控和同時集成的工藝組合到一個(ge) 新的裝置中，以便在單個(ge) 生產(chan) 區進行加工。另一方麵，混合AM工藝涉及順序執行的離散操作，例如，在生產(chan) CMed基板部件（AM對CM）之後，複雜形狀的上部冷卻通道的AM。應用混合AM工藝的主要目標是改善零件性能、功能和質量，而混合製造工藝的主要重點是改進工藝。與(yu) 單個(ge) AM工藝相比，混合AM工藝還可以實現大型部件的批量生產(chan) ，提高精度和幾何複雜性，從(cong) 而改善成品部件的工藝性能和機械性能。在其他研究中提出了一種混合AM工藝，該工藝允許多種沉積工藝的組合，包括使用多種輕質粉末材料和CNC銑削中心。這使得激光合金化熱衝(chong) 壓和鍛造工具表麵的幾何形狀易於(yu) 修改，並減少了表麵上的磨料磨損。

4．2． 鋁合金混合增材製造工藝

研究了幾種鋁合金混合調幅工藝，目的是消除調幅過程中產(chan) 生的缺陷和其他問題。表3總結了最近開發的鋁合金混合調幅工藝的例子，包括涉及的子工藝、使用的合金和取得的好處。最廣泛使用的鋁合金AM工藝(PBF, DED, SL)已在第2節中進行了綜述。其中，SLM、WAAM和擠壓是混合am工藝在傳(chuan) 統的高強度鋁合金製造生產(chan) 鏈中占主導地位。開發SLM、WAAM和擠壓混合am工藝的主要目標可以概括為(wei) :(SLM)消除冶金缺陷和提高機械性能;(WAAM)細化晶粒和消除冶金缺陷;(擠出)實現印刷鋁合金層間的理想結合和提高沉積速率。

表3 鋁合金混合am的研究進展。

最近，Wu等發布了一種新的混合調幅概念，稱為(wei) 激光鎢惰性氣體(ti) (TIG)混合調幅工藝(圖12(a))，其中的製造工藝包括選擇性激光熔化和鎢惰性氣體(ti) 混合。采用該方法，用直徑1.2 mm的ER2319鋁合金絲(si) 製備了AA2219高強度合金試樣。微裂紋幾乎被消除，在沉積的AA2219試樣的截麵上檢測到很少的微孔(高倍鏡下觀察到的孔隙率僅(jin) 為(wei) 0.8%)。激光- tig混合AM技術幾乎消除了微裂紋和微孔隙，並改善了拉伸性能。這些性能的改善歸因於(yu) 加工後在AA2219激光區獲得了均勻的銅分布、更細小的共晶和半相幹θ′相。微孔是影響鋁合金焊接質量的重要缺陷。為(wei) 了控製或減少鋁合金中孔隙的產(chan) 生，研究人員致力於(yu) 開發新的混合AM工藝來控製和減少高強度鋁合金中孔隙的發生。因此，混合waam工藝在高強度鋁合金中得到了廣泛的應用。在一些研究中，提出了一種混合- waam工藝，在金屬沉積過程中，通過冷金屬轉移電弧的極性交替振動AA2319工件。由於(yu) 工件的同時振動和彎曲應力的引入，孔隙率密度從(cong) 6.66%下降到1.52%。與(yu) 變形的AA2319相比，振動試樣晶粒細化了22.5%，抗拉強度提高。

圖12 高強度鋁合金混合AM工藝示意圖:(a)激光- tig混合AM， (b)混合金屬擠壓&粘結AM。

在最近的一項研究中，WAAM和激光衝(chong) 擊噴丸相結合，以細化晶粒為(wei) 目標生產(chan) 出AA2319。采用混合am工藝後，平均晶粒尺寸由59.7 μm減小到46.7 μm，屈服強度提高了72%。研究表明，激光衝(chong) 擊強化是提高waam加工高強度鋁合金機械性能的一種有效方法。提出了一種名為(wei) 混合金屬擠壓&粘結的新概念(圖12(b))，它包括對接焊接和擠壓AM。該工藝能夠以相對較高的沉積速率生產(chan) 出近乎網狀的結構，從(cong) 而使固結固態原料與(yu) 基體(ti) 的金屬結合。

在研究中設計的擠出機使現有的和固有的氧化物分散在基體(ti) 和原料上或內(nei) 部。由於(yu) 這種分散的結果，理想的鍵合壓力達到了金屬鍵合表麵的區域。Gu等開發了一種混合-WAAM工藝，包括WAAM、層間軋製和熱處理，以提高使用WAAM形成的鋁合金的機械性能。在他們(men) 的研究中，通過層間軋製，Al-Mg4.5和Al-Cu6.3合金WAAM沉積過程中形成的微孔減少。軋製後，兩(liang) 種合金的微孔數量和尺寸均有所減少。在一些研究中，混合am涉及材料雜交(在這種情況下，不同的鋁合金)，以實現預期的機械和微觀組織性能的AMed鋁零件。例如，混合am工藝被提出用於(yu) 製備功能梯度Al-Ti6Al4V，包括SLM和冷噴塗。在本研究中，雖然觀察到大量孔隙，但對斷口進行的分析表明，Al-Ti6Al4V零件具有高質量的內(nei) 聚和粘接。

5. 討論

對鋁合金混合am的研究少於(yu) 鋼和複合基材料。這一缺陷可能與(yu) 以下情況有關(guan) :(i)在合並AM技術方麵存在困難，(ii)由於(yu) 冶金缺陷而限製了鋁合金的適用性，(iii)缺乏AM和混合AM加工的鋁航空航天部件的認證，限製了對這些部件采用AM工藝。基於(yu) 對最近發展起來的鋁合金混合AM工藝的回顧，可以看到這些工藝將AM工藝融入到傳(chuan) 統的生產(chan) 鏈中，有效地克服了特定的缺點。

6.結論

本文綜述了高強度鋁合金常用的AM工藝、AM相關(guan) 缺陷和問題，以及克服這些缺陷和問題的方法。它特別關(guan) 注為(wei) 高強度鋁合金開發的混合AM工藝。通過審查，可以得出以下結論：

(1)主要缺陷和問題包括開裂、氣孔、成球、衛星生成、揮發性合金元素的氧化和蒸發。盡管已經做出了重大努力來克服傳(chuan) 統AM工藝的缺陷和局限性，但隻能實現幾乎（95%到99%）無缺陷AMed零件。

(2)近年來，學術界和工業(ye) 界已經開發了許多方法來抑製AM在高強度輕質鋁合金中的缺陷並擴大其應用範圍。包括波音和空客在內(nei) 的領先航空航天公司已對混合AM解決(jue) 方案進行了投資，旨在最大限度地減少或消除高速大容量AM過程中的缺陷，同時縮短交付時間。

(3)在過去的十年中，為(wei) 了克服傳(chuan) 統AM的局限性和缺陷，混合AM工藝得到了越來越多的應用。混合工藝在以下方麵已被證明是有效的：（i）最小化或消除AM中出現的缺陷，（ii）實現比傳(chuan) 統AM更好的機械性能和最終零件的功能性，（iii）改善工藝性能和（iv）消除AM相關(guan) 缺陷。然而，混合AM工藝也有其局限性，如所涉及的工藝數量導致的工具數量多、設備成本高和處理時間長。因此，需要進行經濟分析，作為(wei) 擬定混合AM工藝規劃的一部分。

(4)作為(wei) 未來的發展，混合AM工藝可用於(yu) 大規模多材料和/或航空航天部件不同部分的不同原材料，以便更好地根據工程要求（如承重）定製部件。混合AM工藝還可以作為(wei) 數字自動化和機器人輔助工藝進一步集成到工業(ye) 4.0中，從(cong) 而能夠在相同的建築體(ti) 積內(nei) 組裝剛製造的混合AM加工部件。

(5)在未來十年中，隨著混合AM工藝的新發展，高強度鋁合金AM有望成為(wei) 航空航天工業(ye) 更有效的技術。因此，混合AM工藝可能成為(wei) 生產(chan) 高度固結且無冶金缺陷的輕質高強度鋁合金部件的更合適方法。

來源：Challenges in additive manufacturing of high-strength aluminiumalloys and current developments in hybrid additive manufacturing，InternationalJournal of Lightweight Materials and Manufacture，doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.12.004

參考文獻：J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar，Review of additivemanufacturing technologies and applications in the aerospace industry，F.H. Froes,R. Boyer (Eds.), Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, Elsevier,United States (2019), pp. 7-31, 10.1016/C2017-0-00712-7