近日，由奧本大學和EOS北美工程師組成的研究小組，深入研究了構建方向對3D打印鋁合金部件結構完整性的影響。

該團隊對五種最流行的鋁合金粉末進行了測試，包括AlSi10Mg、Scalmalloy、F357以及QuesTek和Addalloy® 5T (AD1) 公司生產(chan) 的鋁合金粉末。使用粉末床熔融3D打印技術，他們(men) 研究了構建方向如何改變部件微觀結構、材料孔隙率和疲勞行為(wei) ，這些屬性都是材料是否適合高應力工業(ye) 應用的影響因素。

研究顯示，鋁合金在增材製造中的使用受到了極大關(guan) 注，特別是在航空航天工業(ye) 中，這使得越來越多與(yu) 增材製造工藝更兼容的新型高強度鋁合金不斷湧現。但是，在將這些新開發的鋁合金用於(yu) 安全關(guan) 鍵承重應用之前，對其結構完整性進行全麵研究至關(guan) 重要。

所研究鋁合金的成分組成

五種鋁合金粉末3D打印之後的SEM圖像

鋁合金在增材製造應用中的興(xing) 起

隨著金屬3D打印技術迅速成為(wei) 汽車、國防和醫療保健等行業(ye) 的戰略應用技術，新材料創新不斷湧現。尤其是鋁合金，憑借高強度重量比、淬透性和出色耐腐蝕性的特點，使其成為(wei) 航空航天和賽車運動領域各種應用的首選。

然而，奧本大學的研究人員表示，3D打印鋁合金通常比其他材料更具挑戰性。此類材料粉末顆粒輕、流動性差、易吸潮、導熱性高，且極易氧化，這一係列問題增加了3D打印鋁合金出現缺陷的風險——這些問題對任何材料的機械性能（尤其是疲勞性能）都是有害的。3D打印技術參考也曾在《製約鋁合金3D打印應用的六大因素及國內(nei) 外高強鋁合金的商用進展》中進行了詳細解讀（鏈接https://amreference.com/?p=6566）。

當前已經證明，零件的構建方向是產(chan) 生缺陷的類型、大小和頻率的主要影響因素。這歸因於(yu) 不同構建方向下零件經曆的熱曆史變化，因此有必要評估構建方向如何影響3D打印鋁合金部件的疲勞行為(wei) 。

由 Scalmalloy 製造的空氣動力學賽車小翼

構建方向對結構完整性的影響

該研究在垂直和水平方向上3D打印了AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357樣品。

首先，構建取向對鋁合金部件的晶粒結構沒有顯著影響。然而，構建方向對缺陷具有明顯的影響，水平試樣的體(ti) 積缺陷水平比垂直試樣高得多。Scalmalloy 和AD1在垂直和水平構造方向之間的缺陷密度變化最小，這是由於(yu) 這兩(liang) 種合金的熱導率相對較低所致。

不同鋁合金3D打印完成之後的熱處理條件

LB-PBF鋁合金的拉伸性能

將這些合金相互比較，無論構建方向如何，AD1鋁合金在疲勞性能方麵都優(you) 於(yu) AlSi10Mg、QuesTek Al和Al F357。這是由於(yu) AD1較低的缺陷密度、較高的拉伸強度和較高的伸長率所導致的結果。雖然水平方向構建的Scalmalloy零件的疲勞性能略低於(yu) 水平方向AD1零件，但兩(liang) 種合金的垂直試樣的疲勞壽命相當。

該研究總結道：“雖然這項研究並未提供整體(ti) 疲勞性能，但五種不同方向製造的LB-PBF鋁合金所得到的數據和知識可以幫助用戶選擇合適的鋁合金種類。

五種合金水平結構的孔隙率明顯高於(yu) 垂直結構

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根據SmarTech的介紹，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體(ti) 積計算）將從(cong) 2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右。鋁合金正在追趕上鈦、鎳和鋼等材料，成為(wei) 支持增材製造下一代發展的重要機遇。