史玉升教授团队：SLM变形铝合金冶金缺陷形成机制与粉末材料设计方法
激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）是基于粉末床的典型金属增材制造技术之一。变形铝合金（Al-Cu-Mg）具有质量轻、比强度高、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等制造领域。然而SLM变形铝合金面临严峻的成形难题，微熔池快速冷却过程中极易产生球化、孔隙、裂纹等冶金缺陷。
针对上述SLM变形铝合金微观缺陷难抑制的问题，华中科技大学史玉升教授团队联合爱尔兰都柏林圣三一大学殷硕教授团队，通过熔池温度场、应力场和速度场的数值模拟与微观组织表征，揭示了变形铝合金SLM过程中球化、孔隙和裂纹的形成与冶金行为演变机制。最后，从材料设计和工艺创新的角度讨论了冶金缺陷的抑制方法，为理解变形铝合金的致密化行为和SLM成形变形铝合金的粉末材料与工艺设计提供了重要参考。
本期谷.专栏将分享以上研究工作的创新点。
相关论文发表在Advanced Powder Materials
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035
创新点
I 从熔池温度场、流动场角度揭示了SLM成形变形铝合金的孔隙形成机制
激光能量密度是决定样品孔隙率的关键因素。
如图1所示，能量密度过低时，金属粉末熔化不充分，扫描轨迹不连续或不稳定；能量密度过高时，过高的流速导致大量熔体飞溅，熔池状态不稳定，造成过度球化与过烧，且熔池表面湍流卷入气体，最终形成孔隙。
图1 不同能量密度下SLM扫描轨迹与熔池热流动形貌
从熔池应力场、晶粒组织结构角度揭示了SLM成形变形铝合金的裂纹形成机制。
SLM成形变形铝合金时，熔池边缘与热影响区形成应力集中，诱导的应力超过了变形铝合金的强度极限，造成基体撕裂形成裂纹。此外SLM熔池内极高的温度梯度导致粗大柱状晶组织的形成，柱状晶间的残余液膜在凝固末期发生凝固收缩或热收缩，在晶界处形成大量硬脆属性的网状析出物，引发裂纹（图2）。
图2 基于应力集中与柱状晶组织的裂纹形成机理
围绕SLM成形铝合金材料、工艺、后处理与组织性能等关键科学问题，团队开展了一系列SLM铝合金设计与制备研究，揭示了SLM成形铝合金缺陷形成机制，阐明了SLM工艺参数对微观组织的影响规律，提出了面向SLM快热快冷工艺特点的粉末材料设计方法，形成了几类高性能铝合金粉末的制备方法，开发的SLM专用AlCuMgTi、AlMgSc等系列铝合金粉末，解决了传统牌号铝合金的开裂难题，力学性能较传统铝合金提高35%以上，在中国航发、美国波音公司等单位关键零件上取得应用，增材制造产品合格率提高25%。
I 近年来SLM成形铝合金相关研究成果如下：
1. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35, 270-284. (ESI高被引，热点)
2. Materials Science and Engineering: A, 2019, 739: 463-472. (ESI高被引)
3. Additive Manufacturing, 2021, 38, 101829. (ESI高被引)
4. Powder Technology, 2017, 319:117-128.
5. Advanced Engineering Materials, 2019, 21, 1800650.
6. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 810, 151926.
7. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 41, 199-208.
l 论文作者团队
张金良、宋波、史玉升等
l 论文信息
Jinliang Zhang, Weihao Yuan, Bo Song, Shuo Yin, Xiaobo Wang, Qingsong Wei, Yusheng Shi. Towards understanding metallurgical defect formation of selective laser melted wrought aluminum alloys.Advanced Powder Materials.https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100035
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