激光增材制造铝合金构件——“材料-工艺-性能”一体化研究

作者：席丽霞  王锐  顾冬冬

封面| 齐世文, 荣鹏, 黄丹, 陈勇, 王锐, 戴冬华, 顾冬冬. 激光粉末床熔融增材制造铝合金的室温和高温力学性能研究[J]. 中国激光, 2022, 49(8): 0802001

【封面解读】 封面呈现了激光粉末床熔融一体化成形铝合金复杂构件及铝合金标准疲劳试样的过程。激光粉末床熔融铝合金构件的基本原理是：高能激光作用于铝合金粉末薄层，基于粉床逐层精细铺粉、激光逐层固化堆积的方式，成形铝合金高致密度复杂构件。激光粉末床熔融技术为高性能复杂铝合金构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。

研究背景

铝合金因具有轻量化、高比强度和优异耐蚀性等优点，作为主要结构材料已广泛应用于航空航天飞行器，素有“百年航空，百年铝合金”的美誉。为满足航空航天领域高性能飞行器日益增强的发展需求，铝合金材料正朝着高强、高韧、优异疲劳性能及热稳定性等方向发展。

激光增材制造技术（LAM）是近年来先进制造技术的代表之一，具有成形周期短、材料利用率高、可一体化成形复杂构件等优点，广泛应用于航空航天、能源动力等领域。激光粉末床熔融（LPBF）技术是基于粉床逐层铺粉、激光逐层熔/凝的增材制造技术，可实现金属构件高精度快速成形，为高性能复杂金属构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。

激光增材制造铝合金的复杂非平衡快速熔/凝过程会显著影响材料的组织和力学性能，进而影响飞行器的发展。因此，探究激光增材制造铝合金构件的室温及高温力学性能对提升其在航空航天等领域的服役安全性和稳定性至关重要。

创新研究

围绕如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室温/高温力学性能，南京航空航天大学与成都飞机工业（集团）有限责任公司合作，通过激光粉末床熔融技术制备AlSi10Mg构件，研究了基于成形方向调控的铝合金组织演变对室温/高温静力学性能影响，探究了激光增材制造AlSi10Mg构件的疲劳等动力学性能，实现了铝合金构件的材料—组织—性能一体化激光高性能制造。

研究采用自主研发的LPBF设备成形AlSi10Mg粉末，成形系统包括YLR-500光纤激光器、激光扫描振镜、自动铺粉装置、计算机控制系统及惰性气氛保护装置，成形过程如图1（a）所示。成形方向采用水平成形方式（拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向）和垂直成形方式（载荷垂直于试样铺粉方向）[图1(b)]。LPBF成形AlSi10Mg疲劳试样如图1(c) 、(d)所示。

图1（a）LPBF成形过程；（b）垂直、平行与铺粉方向的成形试样示意图；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱状试样；（d）标准疲劳试样

图2为LAM成形的AlSi10Mg合金垂直方式成形试样和水平方式成形试样的高温拉伸性能[图2(a)-(d)]和室温压缩性能[图2(e)]。高温拉伸性能结果表明：随温度升高，垂直方式成形试样和水平方式成形试样均呈现强度降低而延伸率升高的现象，且水平方式成形试样强度均高于垂直方式成形试样。

图2 不同方向成形试样高温拉伸性能柱状图。（a）100 ℃；（b）125 ℃；（c）150 ℃；（d）175 ℃

室温下，垂直方式激光成形试样的应力-寿命（S-N）曲线如图3(a)所示。实验中，LPBF制备AlSi10Mg疲劳试样在150 MPa轴向应力疲劳试验中疲劳循环周次可达107次及以上。结果表明激光增材制造AlSi10Mg合金垂直方式成形试样中值条件疲劳强度Δσ为151.25 MPa。

LAM垂直成形AlSi10Mg合金试样的疲劳裂纹扩展速率da/dN随应力强度因子范围ΔK关系曲线如图3(b)所示。 值为裂纹扩展速率为10-7时对应的应力场强度因子 值，通过计算获得裂纹扩展门槛值为0.981 MPa•m1/2。

图3 垂直方式成形试样疲劳性能。（a）光滑试样的疲劳S-N曲线（R = 0.1、Nf = 107）；（b）疲劳裂纹扩展速率da/dN随应力强度因子范围ΔK关系曲线

总结

研究采用激光粉末床熔融高精度增材制造技术，探究了不同成形方向对AlSi10Mg合金室温/高温静力学性能的影响，系统探究了激光增材制造AlSi10Mg构件疲劳性能，揭示了基于成形方向调控的铝合金组织演变对力学性能影响机制，优化了激光粉末床熔融成形AlSi10Mg疲劳性能，实现了铝合金材料—组织—性能一体化高性能制造，为激光增材制造铝合金在航空航天等领域的应用提供了科学基础和理论指导。

【课题组介绍】

南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室于2017年由江苏省发改委批准成立，由顾冬冬教授担任实验室主任。团队主要从事激光增材制造材料设计制备、装备研发、软件集成、智能工艺、性能调控及应用验证等方面研究。

团队近五年在工程、制造、材料、应用物理等领域国际期刊上发表SCI论文100余篇，JCR一区期刊论文70篇，9篇入选ESI高被引论文。由德国Springer出版英文专著1部，申请/授权国家发明专利40余项、PCT国际专利4项。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、装备预研共用技术重点项目等国家及省部级项目30余项。

【通讯作者简介】

顾冬冬，南京航空航天大学教授、博士生导师，基础科研与人文社科处处长，《中国激光》副主编。国家“万人计划”科技创新领军人才，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家自然科学基金优秀青年科学基金入选者，德国Fraunhofer激光技术研究所洪堡学者。以第一作者/通讯作者在《Science》发表论文：“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”（Science 2021, 372, eabg1487）。以第一完成人获江苏省科学技术奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖、空军“创新杯”科技创新大赛优胜奖、德国Fraunhofer–Bessel研究奖、英国物理学会高被引中国作者奖、爱思唯尔“中国高被引学者”。