Scalmalloy和AA5754、AA6061-T6铝合金的3D打印研发。
本期3D科学谷揭示Scalmalloy的裂纹扩展曲线与汽车工业和海洋船舶广泛使用的铝合金AA5754和AA6061-T6的裂纹扩展曲线相似。
3D科学谷
发展高强度铝合金
据吴新华院士介绍，高强度3D打印铝合金在航空航天制造领域的应用尤为重要。主要目标是减轻航天器重量，缩短交付周期，从而降低综合生产成本，提高综合效益。高强度3D打印铝合金可使航天器零件重量减轻20-90%，加工周期缩短3-12个月。典型应用包括:卫星射频阵列天线支架、耦合减振器、空间站中的各种支架组件，如导轨支架、测控天线支架等。
无论是焊接工艺还是选择性激光熔化工艺，产生热裂纹的原因都是相似的。在这两种情况下，工艺参数都会引起热应力，热应力是引起裂纹的关键因素。然而，很难通过控制工艺参数来控制热应力。为了显著降低热应力，需要显著降低温度梯度，但在选择性激光熔化工艺中，不可能通过改变工艺参数或环境来实现这一目标。在热处理过程中，用于产生强化相的合金元素通常会增大凝固温度范围，这在以往的研究中也是非常不利的。
近年来，材料科学的研究重点逐渐转向开发适合LPBF工艺独特条件的新型高性能合金。合金设计理念通常基于高冷却速率(105-106 K/s)和极高的温度梯度(G ~ 106 K/m)，提高了合金的固溶极限，促进了亚稳相的形成。然而，在3D打印过程中，高温度梯度通常会导致柱状晶体结构沿结构方向拉长，从而促进热裂纹的发生。
控制裂缝
现在已知的Scalmalloy具有类似于AA7075-T7351(一种广泛应用于传统飞机的铝合金)的力学性能和裂纹扩展曲线。在本文中，3D科学谷将对其裂纹扩展行为与广泛应用于船舶、汽车车身和与化工厂相关的基础设施的铝合金AA5754以及广泛应用于轻型飞机、自行车车架和电机的AA6061-T6进行比较。
三种合金的力学性能对比见表1:
表1。Scalmalloy和两种广泛使用的铝合金的屈服应力、极限强度和破坏应变的比较AA5754的σy和σult值随回火程序而变化。
经过热处理后，基于粉末层选择性激光熔化金属的LPBF，Scalmalloy具有比AA5754和AA6061-T6更好的力学性能。但是与AA5754和AA6061-T6相比，与Scalmalloy相关的da/dN和δ K曲线的裂纹扩展性能如何？
已经看到，Scalmalloy中的裂纹扩展类似于AA7075-T7351合金中的裂纹扩展。我们可以看到AA5754的长裂纹和“短裂纹”曲线的一致性。我们还看到与Scalmalloy、AA5754和AA6061-T6相关的R = 0.1曲线之间的相似性。
图1。R = 0.1 da/dN和Scalmalloy的δ K曲线，短裂纹扩展。
图二。R = 0.7 da/dN和scalmalloy的δ k曲线。
图2显示了情况d)至g)的高R比da/dN和δ k的曲线，其中再次看到与Scalmalloy相关的R = 0.7的曲线和与AA5754和AA6061-T6相关的高R比测试之间的相似性。图1和图2还显示，与AA7050-T7451相关的小裂纹的R = 0.1和0.7 da/dN和δ k曲线也与Scalmalloy中与裂纹扩展相关的相应长裂纹一致。这意味着与AA7050-T7451相关的小裂纹曲线可以(近似)看作是da/dN与δ K的幂关系的延伸。
图3显示，当考虑不同的疲劳阈值和韧性时，各种da/dN曲线与δ κ曲线非常相似。表2给出了图3中AA5754和AA6061-T6各种测试中使用的常数值。为了帮助比较Scalmalloy与这些不同的铝合金，图3还包含了Scalmalloy的趋势线。
裂纹的增长，即决定飞机使用寿命的增长最快的裂纹，可以用方程估算。发现添加剂制造的Scalmalloy的裂纹扩展曲线与公认具有良好疲劳性能的常用铝合金AA5754和AA6061-T6的裂纹扩展曲线相似。这一发现增强了Scalmalloy的潜力。与AA5754和AA6061-T6相比，Scalmalloy具有优异的力学性能，可用于制造船舶、轻型飞机和汽车的增材零件，制造商可以用铝合金替代零件和军用飞机零件，以及卫星和空间结构的轻型铝零件。
新材料和技术
长期以来，只有少数Al-Si基铸造合金在3D打印铝合金中实现了无裂纹加工。对于可焊性差的锻造铝合金，较高的热梯度会促进柱状晶的生长，从而产生热裂纹，因此锻造铝合金的增材制造应用受到很大限制。
根据3D科学谷的市场观察，这种限制正在被打破。2019年以来，高强度铝合金3D打印材料的商业化，为必须通过锻造来实现的零件加工打开了一扇全新的大门。结合3D打印释放的设计自由度，锻造铝合金增材制造技术将在压力容器、液压管汇、支架、高强度结构件等领域获得巨大的市场空间。
YSZ+6061铝合金
目前，添加一定量的钇稳定氧化锆(YSZ)可以诱导晶粒细化，改变3D打印6061铝合金的显微组织，从而消除热裂纹。
采用增材制造工艺加工的锻造铝合金产品，有两种方法可以减少裂纹。第一种方法是在印刷过程中控制热应力。第二种方法是通过改变合金成分或直接在基础粉末中加入成核剂来增强异质形核。
锆基纳米粒子成核剂+7075和6061铝合金
据3D科学谷市场观察，还有一种高强度3D打印锻造铝合金材料也采用添加锆基形核剂的方法，实现晶粒细化，消除裂纹。这种材料是HRL实验室研发的用于3D打印的高强度7A77.60L铝粉，目前已经正式投入市场。HRL实验室选用锆基纳米颗粒形核剂，将其复合成7075和6061系列铝合金粉末。成形后的材料无裂纹、等轴(即晶粒长宽高大致相等)，实现了细晶显微组织，材料强度与锻造材料相当。这种3D打印铝合金材料的平均屈服强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，平均伸长率超过8%。
铝锰钛锆合金
在之前3D科学谷的分享中，科研领域也提出了一种专门为LPBF工艺开发的低成本、无Sc、应用广泛的Al-Mn-Ti-Zr合金。该合金旨在用作AlSi10Mg的替代品，并具有类似的广泛应用范围。通过使用高凝固速率，非常规的大量Mn(3.7±0.5 wt %)被亚稳态凝固在α-Al基体中，这显著促进了固溶硬化(约104 MPa 37%屈服强度份额)。最终样品的屈服强度、极限抗拉强度和断裂伸长率分别为284±3 MPa、320±65438±0 MPa和65438±0.2%。这种新合金具有双峰微观结构，其由交替分布的细小等轴和粗大柱状晶粒区域组成。
参考资料:
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