华中科大：开发用于增材制造的新型抗裂纹、高性能铝合金

对于激光增材制造而言，铝基材料是典型的难加工材料，这是由其特殊的物理性质(低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等)决定的。

常用的Al-Si系合金，如AlSi10Mg和AlSi12由于近共晶成分使凝固温度范围狭窄，从而大大降低了激光增材制造过程中的开裂风险。然而由于其铸造铝合金的材料本质，即使采用经过优化的工艺制备，抗拉强度也难突破400MPa，从而限制了其在航空航天等领域服役性能要求更高的承力构件上的使用。

激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能

为进一步获得更高的力学性能，近年来Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等铝合金体系也被用作SLM成形材料，但这类铝合金中较高的合金元素含量和较宽的冷却凝固温度范围，使得沉淀强化合金在激光增材制造过程中易形成裂纹甚至发生开裂；且相对于铝元素，镁和锂等合金元素更易在高能激光的高温作用下发生气化蒸发，从而影响成形件的成分稳定性及力学性能。在这种情况下，开发具有改良结构的特殊铝合金用于SLM技术具有重大意义。

Al-Cu-Mg合金的开裂机理示意图

前不久，华中科技大学宋波教授联合中南大学和南洋理工大学，通过将Ti引入Al-Cu-Mg合金有效地促进了晶粒细化和从柱状到等轴晶粒过渡。Ti改性后，由于形成了均匀细密的等轴晶，消除了热裂纹，其抗拉强度达到426.4MPa，屈服强度为293.2MPa，延展性为9.1％。研究人员通过热力学计算和显微组织表征，详细讨论了Ti改性铝合金的合金组成设计，裂纹消除机理和组织演变。相关研究结果以题为“Anovelcrack-freeTi-modifiedAl-Cu-Mgalloydesignedforselectivelasermelting”发表在AdditiveManufacturing上。

SLM制造的Ti/Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg合金的力学性能

Ti改性的Al-Cu-Mg合金的优异机械性能主要归因于裂纹的消除和精细的等轴组织。热力学计算表明，Ti的加入能显著提高裂纹扩展限制因子，不过对裂纹敏感性影响不大。通过实验方法，证实了SLM对Ti/Al-Cu-Mg合金零件裂纹形成的抑制作用。在SLM制备的Ti/Al-Cu-Mg合金零件中，除了Al2Cu析出物和α-Al基体外，还发现了Al3Ti纳米粒子。Ti的加入有效地促进了Al-Cu-Mg合金的晶粒细化和柱状晶向等轴晶的转变。

Al-2.25Cu-1.8Mg-xTi相图

Ti/Al-Cu-Mg合金细等轴晶形成过程示意图

与柱状晶粒相比，等轴晶粒更容易旋转以适应应变，从而抑制了相邻晶粒之间的相干性。细等轴结构中每体积更多的界面也能够更好地消除热应力。此外，等轴细晶粒还可以改善快速凝固过程中的液相流动，从而在很大程度上避免形成热撕裂裂纹。另外，与粗大柱状晶粒的平坦边界相比，在细等轴微结构中提供了更弯曲的裂纹路径，从而抑制了裂纹扩展。因此，与Al-Cu-Mg合金的粗大柱状显微组织相比，Ti的添加形成的细等轴组织显著降低了产生裂纹的可能性。

拉伸试验后（a-b）Al-Cu-Mg合金和（c-d）Ti/Al-Cu-Mg合金断口的SEM显微图像

最后，研究人员指出改性的Al-Cu-Mg合金的Ti添加量为1.5 wt％。这种新颖的钛改性铝合金具有细的等轴晶粒和增强的力学性能，为可打印的轻质材料提供了新的成分空间。

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