招标 | 招聘 | 发布会 | 品牌活动

铝合金激光选区熔化成形技术存在的问题和需求

发布时间:2022-6-9 12:34 来源:柯林达(上海航天精密机械研究所) 观看:

铝合金激光选区熔化(SLM)成形技术与其他材料,如不锈钢、钛合金、高温合金等相比,发展稍晚,主要原因是两点:

(1)铝合金SLM成形技术需求没有其他材料迫切

首先,增材制造技术制造零部件早期更多的是解决难加工材料和复杂结构难加工的问题,如钛合金、高温合金等,其技术研究和发展的必要性很迫切,而铝合金材料机加工容易;

其次,钛合金、高温合金材料昂贵,对于某些复杂构件,通过机加工制造,材料利用率只有10~30%,制造成本高。

(2)铝合金SLM成形技术较其他材料难度大

a) 铝合金具有很高的激光反射率(约91%),这就要求必须具有足够高的能量才能将铝合金粉末熔化,因此对激光功率提出了高要求,早期的激光器功率和光束质量还难以满足要求;

b) 铝合金粉体的流动性较差,在SLM成形过程中20~60μm均匀厚度的粉末铺置是难点,难以实现铝合金稳定的成形。且液态铝合金的低流动性导致成形件成分不均匀也制约着铝合金SLM成形技术的发展和应用;

c) 铝合金的强氧化性生成的氧化膜会阻碍熔覆层与基体、熔覆层与熔覆层之间的结合以及在SLM成形过程中形成的气孔等缺陷也影响了铝合金的有效成型;

d) 大多数铝合金焊接性能不理想,铝合金的强化主要归咎于析出相强化,而如Al-Zn系高强铝合金由于含有不稳定元素Zn,在SLM成形过程中易导致飞溅,孔隙和熔池剧烈反应而不适合SLM成形工艺;

e) 铝合金中如Mg、Li元素蒸气压完全异于Al元素,在SLM成形过程中会首先蒸发出来。

图1:金属SLM成形是一个非常复杂的物理冶金过程

尽管铝合金具有热导率大、对激光反射率高、易被氧化、氢气在其液体和固体中溶解度差别大等特点,其SLM成形难度较大。但是铝合金密度低、比强度高,导电、导热、耐腐蚀性能好,其复杂精密构件在航空航天、武器装备、汽车工业和电子等领域有广泛的应用前景。近几年来,铝合金SLM成形技术研究被广泛重视,并得到了快速发展,对Al-Si、Al-Cu、Al-Mg-Si、Al-Zn等系列铝合金均有涉及。

但是目前只有焊接性能和铸造性能良好的Al-Si系的研究较为成熟,可以得到致密度高、力学性能好的成形零件,现AlSi10Mg和Al-12Si两种铸造铝合金的SLM成形已实现了工程应用。但是Al-Si系铝合金的SLM成形力学性能存在强韧性不匹配,当抗拉强度≥400MPa时,延伸率只有4~6%,而当延伸率≥10%时,抗拉强度只有280~320MPa,综合力学性能难以满足航天航空大部分铝合金零件所要求的力学性能。如目前上海航天精密机械研究所研制的支架、贮箱、散热冷板以及相变换热器及相变热沉产品原设计都是采用2系高强铝合金,由于SLM成形铝合金材料限制,都是根据SLM成形AlSi10Mg铝合金的力学性能进行设计。

因此近几年高强铝合金的SLM 成形也得到了人们的重视和关注。一些高强铝合金SLM成形用材料得到开发。2017年11月,空客公司与LPW公司针对航空用铝合金零件增材制造需求,开发的世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料铝-镁-钪合金Scalmalloy,室温拉伸强度520MPa,正探索应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造。

2018年4月,英国铸造公司Aeromet International推出的A20X铝合金粉经热处理后拉伸强度为511 MPa,屈服强度440 MPa,伸长率为13%,目前正基于该材料开发的航空散热结构件,以期望替代传统采用钛合金制作的中温构件,为某型号发动机实现瘦身。

2019年10月,美国休斯研究实验室(HRL)开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂,避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题,并可实现细晶粒微观结构,其抗拉强度超过600 Mpa,屈服强度高达580MPa,延伸率超过8%。成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。

表1:各供应商的高强铝合金材料成分与性能

材料

EOS AlSi10Mg

Scalmalloy

A20X

7A77.60L

Al250C

航天新材AlMgMnScZr

组成成分

Al

(balance)

Al

(balance)

Al

(balance)

Al

(balance)

Al

(balance)

Al

(balance)

Si

(9.0~11.0)

Si

Si(≤0.1)


Si


Fe(≤0.55)

Fe

Fe

(≤0.08)


Fe


Cu(≤0.55)

Zr



Zr

Zr

Mn(≤0.45)

Mn



Mn

Mn

Mg

(0.2~0.45)

Mg

Mg


Mg

Mg

Ni(≤0.05)

Sc

Ag


Sc

Sc

Zn(≤0.10)

Zn

B




Pb(≤0.05)

Cu

Cu




Sn(≤0.05)

Ti

Ti




Ti(≤0.15)

O






V





抗拉强度

460±20MPa

520MPa

511MPa

600MPa

590MPa

535MPa

屈服强度

270±10MPa

470MPa

440MPa

580MPa

580MPa

510MPa

延伸率

9±2%

13%

13%

8%

11.5%

12%

注:EOS数据为打印态,其余为热处理态

国内粉末供应商业有一些突破性研究成果。2019年2月,航天科工旗下长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料,其室温拉伸强度535MPa,屈服强度510MPa,延伸率为12%,正在被国内某高端应用部门验证。

2019年8月,苏州倍丰吴鑫华研究团队宣布其SLM用铝合金材料Al250C达到最高水平,其拉伸强度超过590Mpa,屈服强度580MPa,延伸率11%,制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验,因此获得包括通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。

针对高强铝合金SLM成形技术的迫切需求,各供应商都开展了高强铝合金材料的开发研究,也推出了商业化粉末产品。但实际的真正应用目前还很少,且部分高校开展了高强铝合金材料SLM成形工艺研究表明:部分商业化高强铝合金材料成形件力学性能提高明显,但成形效率很低,难以满足工程应用需求。提高成形效率,内部微裂纹缺陷明显,力学性能下降明显。因此,对于高强铝合金材料SLM成形技术的研究需要从基础机理和工艺角度梳理和分析,以便于我们聚焦高强铝合金材料牌号,研究和推动高强铝合金SLM成形技术的应用。

相关内容推荐

电话
+86 15026691627
微信
抖音号
人脉库
返回
顶部