长三角G60激光联盟导读
中北大学科研人员报道了选择性激光熔化制备的含Zr Al-Cu-Mn-Mg合金的缺陷研究。相关研究以“Study on defects of Zr-containing Al–Cu–Mn–Mg alloys manufactured by selective laser melting”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。
研究了选择性激光熔化(SLM)参数对含Zr Al-1Cu-1Mg-3Mn合金成型性、显微组织和力学性能的影响。结果表明，在不同的能量密度下，缺陷的类型、形状、体积和数量都不同。能量密度较低时，出现裂纹和不规则孔洞，随着能量密度的增加，孔洞逐渐呈球形。绘制了孔洞形成的机理图，并阐述了裂纹形成的原因。试样的显微组织由等轴晶粒和柱状晶粒组成，在晶界和晶粒内部都发现了Al2Cu和Al6Mn析出物。电子背散射衍射(EBSD)表明，中心的大型柱状晶粒主要表现为{001}和{101}取向。在等轴晶粒区域，沿{111}的晶粒取向增强。硬度测试表明，合金横截面和纵截面的硬度基本相同。当能量密度为3.06J/mm2时，合金的抗拉强度和屈服强度分别为434MPa和336MPa，伸长率为4.8%。
关键词：选择性激光熔化;铝合金;缺陷研究;力学性能
增材制造，也被称为3D打印。选择性激光熔化(SLM)是首选的增材制造技术之一，因其制造灵活性高、材料利用率高而应用广泛。SLM 为制造结构复杂的轻量化部件开辟了新途径。SLM技术在航空航天、先进运输和其他工业领域得到广泛应用。
科研人员设计了一种以真空雾化制备的含Zr新型铝合金：Al-1Cu-1Mg-3Mn-0.8Zr(wt.%)，用于SLM加工和高温应用。添加了Cu、Mg和Mn作为固溶强化成分。Zr可细化晶粒，降低凝固过程中产生热裂纹的可能性。时效过程中形成的二次Al3Zr析出和富含Cu/Mg的析出可能会提高合金强度。由于析出和固溶强化作用，该合金有望在高温下保持强度。本研究对四种不同能量密度合金的缺陷形貌、显微组织和力学性能进行了研究，并对不同类型缺陷的形成机理进行了深入探讨。通过结合相关示意图和理论分析，对缺陷的形成过程有了更直观的认识。同时，这项工作为高强度和低缺陷易损性的选择性激光熔化制备耐热铝合金提供了设计思路和理论基础。
图1：Al-Cu-Mg-Mn合金粉末的显微组织。
图2：拉伸试样的尺寸。
图3：不同能量密度(ED)的SLM样品孔隙形态，(a) ED-2.55 J/mm2，样品1。(b) ED-3.06 J/mm2，样品2。(c) ED-3.5 J/mm2，样品3。(d) ED-5.6 J/mm2，样品4。
图4：不同样品的孔隙形态放大图，(a)(b)样品1，(c)(d)样品2，(e)(f)样品3，(g)(h)样品4。
图5：蚀刻SLM制备的Al-Cu-Mn-Mg样品的光学显微镜图像:(a)样品1，(b)样品2，(c)样品3，(d)样品4。
图6：样品2中单个Al、Cu、Mn、Mg和Zr元素的EDS图。
图7：样本2的EBSD图:(a) IPF和(b) PF。
图8：样品2等轴晶区EBSD图(a) IPF，(b) LAM，(c) PF。
图9：SLM制备的Al-Cu-Mn-Mg合金显微硬度分布图:(a)纵截面，(b)横截面。
图10：SLM制备的Al-Cu-Mn-Mg合金的应力应变曲线。
图11：SLM熔化过程示意图。
图12：粉末和液滴溅射发生的示意图。
图13：孔隙形成示意图。
总之，研究了四种不同能量密度合金的缺陷形态、显微组织和力学性能，并对不同类型缺陷的形成机理进行了深入探讨。得出以下结论：
在不同能量密度下，缺陷的类型、形状、体积和数量都不同。能量密度较低时，出现裂纹和不规则孔洞，随着能量密度的增加，孔洞逐渐呈球形。粉末的动粘度低、流动性弱和熔化不充分是裂纹形成的主要原因。提高能量密度可降低裂纹敏感性。当能量密度为3.06 J/mm2 时，反冲压力(金属蒸汽压力)与液态金属的表面张力处于平衡状态，孔隙最小且呈球形。
SLM制备的Al-Cu-Mg-Mn合金呈现鱼鳞状组织，熔池下部为细等轴晶，熔池内部为柱状晶。电子背散射衍射(EBSD)表明，中心的大型柱状晶粒主要呈现{001}和{101}取向。
SLM成型的Al-Cu-Mg-Mn合金具有优异的力学性能，沉积试样的显微硬度约为100 HV，且无明显的各向异性。当能量密度为 3.06 J/mm2时，合金具有最佳拉伸性能，拉伸强度为434 MPa，屈服强度为336 MPa，伸长率为4.8%。
