【AMF论文推荐】华南理工大学杨永强教授团队：工艺参数对低Sc含量Al-Mg-Sc-Zr合金相对密度、组织和力学性能的影响机理
Di Wang, Yongwei Feng, Linqing Liu, Xiongmian Wei, Yongqiang Yang, Pan Yuan, Yang Liu, Changjun Han, Yuchao Bai. Influence Mechanism of Process Parameters on Relative Density, Microstructure, and Mechanical Properties of Low Sc-Content Al-Mg-Sc-Zr Alloy Fabricated by Selective Laser Melting. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4).https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100034.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665722000186(戳链接，下载全文)
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研究背景及目的
增材制造技术为制造具有复杂形状的轻质部件提供了一种有效的解决方案。最近，高Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金被用于选择性激光熔化工艺，以获得完全等轴晶粒结构并提高机械性能。但是，Sc是一种价格昂贵的稀土元素。随着该元素的添加量的增加，生产成本会急剧增加。因此，低Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金的增材制造需要深入研究，以实现降本增效的目的。
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论文亮点
1）开发了低Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金的增材制造工艺，致密度高达99.2%。
2）建立了能量密度与成型质量的内在关系。
3）揭示了高能量密度下轻质合金熔池内匙孔形成的机理。
4）获得具有扇形特征的微观组织，抗拉强度高达451.1 MPa。
图1 增材制造过程中低Sc含量Al-Mg-Sc-Zr合金中匙孔形成机理示意图
图2 增材制造低Sc含量Al-Mg-Sc-Zr合金的机械性能
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试验方法
采用粉末床激光增材制造技术制造低Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金，在激光功率300-400W和扫描速度400-800mm/s的范围内进行成型工艺探索。采用阿基米德排水法测试合金的密度；采用VHX-5000超精深显微镜测量合金零件的表面粗糙度；采用莱卡DMI5000M倒置式金相显微镜观察成型合金的微观组织形貌。采用HVS-30数字维氏硬度测试仪进行硬度测量。热处理是在马沸炉中进行，升温到325摄氏度后保温8小时，然后在空气中冷却。而热处理前后的拉伸性能通过CMT5205万能电子测试仪获取。
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结果
1）当能量密度为151.52J/mm3时，获得的低Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金致密度最高，到达99.2%。
2）随着能量密度的提升，表面质量逐渐提高，表面粗糙度数值从最高11. 03µm降低到4.37µm。
3）采用优化工艺成型的零件，显微维氏硬度达到122 HV。时效处理后，硬度进一步提升到169 HV。
4）在直接成型的合金中，形成了由细晶区和粗晶区组成的独特的扇形微观组织特征。时效处理后，细晶区扩大。
5）直接成型的零件，其抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别达到451.1 ± 5.2 MPa, 346.8 ± 3.0 MPa和14.6 ± 0.8%。
6）时效处理后，抗拉强度和屈服强度分别提升了18.1%和41.3%，达到532.7 MPa和490.0 MPa。但是，断后延伸率略微降低到13.1%。
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结论
1）随着能量密度的增加，致密度先增加后降低。但是，表面质量先快速提高，然后趋于平缓。
2）致密度和表面质量随着致密增高表现出的响应差异表明，需要在致密度和表面质量间做出平衡。
3）通过优化工艺，可以获得适用于低Sc含量的Al-Mg-Sc-Zr合金的高质量增材制造方案。
4）粉末床激光增材制造过程中的高冷却速度为低Sc含量Al-Mg-Sc-Zr合金中非匀质微观组织结构的形成提供了条件。
5）时效处理后，细晶区扩大，伴随着第二相颗粒的析出，在不明显降低材料塑性的前提下，可以实现机械强度的进一步提升。
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前景与应用
本研究有助于具有复杂几何特征的高性能轻量化结构件快速制造，同时降低制造成本，促进其在航空航天、汽车、船舶等领域中的应用。
团队带头人介绍
团队研究方向
1.激光选区熔化智能装备：研究开发SLM装备设计、控制软件和智能监控，提高打印过程稳定性、精度和效率为主要目标。
2.金属打印材料性能与打印过程稳定性控制：获得高性能金属打印零件，主要材料包括钛合金，钴铬合金、高温镍基合金和铜合金等。
3.金属3D打印工业与医学应用：研究面向金属3D打印技术的设计方法，开发面向汽车、化工等工业领域的应用流程，研究金属3D打印在医用领域的材料和后处理标准。
4.激光增减材设备与工艺：开发基于多轴机床和双机器人系统的原位增减材装备，实现大尺寸复杂结构件的高精密成型。
5.高效率大尺寸金属增材制造装备：面向高效率、大尺寸、高精度制造需求，开发多振镜协作的金属增材制造设备，重点解决相邻模块的零缺陷熔合拼接问题。
近年团队发表文章
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