分享：一文解讀鋁合金增材制造技術
鋁合金具有密度低，比強度、比剛度高，塑性好，優良的導電性、導熱性和抗腐蝕性等特點，是實現結構輕量化的首選材料，在航空航天、交通運輸、船舶艦艇等領域具有廣泛的應用前景和研究價值。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金制造技術的發展，傳統鋁合金加工工藝主要采用熔煉、鑄造和鍛造等手段，但是隨著產品技術水平的不斷提高和研制周期的不斷縮短，對制造復雜精密結構的鋁合金構件也提出了新的要求，不僅要求制造技術高效、快速，而且還要具有隨裝備設計變化而變化的快速響應能力，以及對復雜精密構件生產制造的靈活適應性。基于上述現狀，使用3D打印技術制造鋁合金結構件成為了當前研究的熱點，3D打印又稱為增材制造，是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，并在航空航天、生物醫學和軌道交通等多個行業得到廣泛的應用。增材制造特點是單件或小批量的快速制造，通過層層構建實體零件，增加了設計自由度和制造靈活性，實現了產品的復雜幾何圖形定制，縮短了市場時間，同時消除了傳統的規模限制。
由于工作原理和熱源類型的不同，目前國內外針對鋁合金增材制造技術的工藝方法主要有激光增材制造技術（Laser additive manufacturing，LAM）、電弧增材制造技術（Wire and arc additive manufacturing，WAAM）、電子束增材制造技術（Electron beam additive manufacturing，EBAM）、超聲波增材制造技術(Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM)和攪拌摩擦焊增材制造技術(Friction Stir Additive Manufacturing，FSAM)，本文針對這5種不同的工藝特點進行簡單的介紹。
1 鋁合金激光增材制造技術
激光增材制造技術是以激光為熱源，該技術具有成形精度高、內部缺陷少、力學性能優良的特點。激光增材制造鋁合金時多采用鋁合金粉末為原料，這就導致了粉末間隙的不確定性從而導致成形件致密度受到影響，并且大多數鋁合金對激光的反射率很高，使得激光的利用率較少，目前局限于鑄造鋁合金或者焊接性較好的鋁合金。按照成形原理，鋁合金激光增材制造技術主要分為同步金屬粉末送給的激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming， LMDF）技術和以粉床鋪粉為技術特征的激光選區熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術。
SLM制造動圖
激光金屬直接成形
2 鋁合金電弧增材制造技術
電弧增材制造技術是通過同步熔絲逐層累加的方法進行的增材制造技術，由于焊接電弧的特點，主要用于制造超大型較復雜零件的成形，材料利用率高、設備成本低、成形結構大，但是由于熱輸入量較大，成形件表面質量和成形精度很差，需要進行較多的后續加工。未來針對鋁合金電弧增材制造技術來說，如何減小熱輸入量，提高成形精度和質量是未來研究的重點。
鋁合金電弧增材制造成形件
3 鋁合金電子束增材制造技術
電子束增材制造技術根據填充材料的不同，主要分為電子束選區熔化技術（Electron Beam Selective Melting，EBSM）和電子束熔絲增材制造技術（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）。 EBSM技術是在真空環境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成形材料，高速掃描加熱，逐層熔化疊加，獲得金屬零件，不過EBSM技術存在金屬粉末材料制備成本較高、易受污染、利用率低、清理工作繁瑣、難以制造大尺寸零件等不足之處。
電子束選區熔化技術
EBFF技術與其他增材制造技術一樣，通過高能電子束對同步送進的絲材進行熔化，按照CAD模型的特定加工路徑進行分層制造，逐層堆積，直至形成致密的金屬零件。該工藝具有成形速度快、保護效果好、材料利用率高、能量轉換率高等特點。
電子束熔絲增材制造技術
4 鋁合金超聲波增材制造技術
鋁合金超聲波增材制造技術采用大功率超聲能量，利用鋁合金層與層之間振動摩擦產生的熱量，促進界面間金屬原子相互擴散并形成固態物理冶金結合，從而實現增材制造成形。該技術具有以下優點：1)固態成形，溫度低，材料內部的殘余應力低，結構穩定性好。2)制造過程中不產生焊渣、廢液、有害氣體等污染物，原材料易得，成本低廉。3)不需要高溫環境，也不會造成合金元素的揮發，且不影響連接的性能。4)制造過程中鋁箔材表面的氧化膜可以被超聲波擊碎清除。5)可以實現梯度功能材料的制備。
超聲波增材制造工藝
鋁合金超聲波增材制造技術還存在一些不足，由于目前超聲波功率的限制，只能對厚度較小的鋁箔進行快速成形，未來需要大幅提高超聲波換能器的輸出功率，實現大厚度和高強度金屬板材的增材制造。
5 鋁合金攪拌摩擦焊增材制造技術
攪拌摩擦焊增材制造技術是基于攪拌摩擦焊發展起來的一種新型的增材制造方法。鋁合金攪拌摩擦焊增材制造是將高速旋轉的攪拌頭插入鋁合金板材后以一定的行進速度沿既定方向運動，在攪拌頭與鋁合金板材的接觸部位產生摩擦熱，使鋁合金板材塑化軟化，塑化金屬在攪拌頭的旋轉作用下填充攪拌針后方的空腔，形成一層增材區之后在上面繼續疊加一層基材，并按照相同的路徑和增材間距重復上述操作。該技術生產的鋁合金成形件熱影響區微觀組織變化小，殘余應力較低，不易變形，無需去除氧化膜，不需要保護氣體，成本低。
攪拌摩擦焊增材制造技術示意圖
目前，鋁合金增材制造技術在軍用和民用領域具有廣泛的應用前景。鋁合金增材制造技術具有復雜精密成形與輕量化設計等顯著優勢，目前主要發展趨勢如下：1) 開發鋁合金增材制造新方法，進一步探究鋁合金增材制造中“工藝-組織-性能”之間的內在聯系。闡明鋁合金增材制造構件應力形成機理，提出有效控制增材構件殘余應力水平及分布的方法，為大型復雜鋁合金增材制造構件的制備提供指導。2) 揭示鋁合金增材制造中微熔池傳質、非平衡凝固及冷卻過程的物理冶金機理及相變行為，實現鋁合金增材制造微觀組織控制。通過實驗與數值模擬相結合的手段，控制及預測鋁合金增材制造溫度場分布規律，控制增材熱過程。3) 進一步開發增材制造+銑削加工（精密加工）一體化設備，提高鋁合金增材制造構件的成形精度，實現鋁合金構件的精密加工。通過工藝優化及設備升級，徹底消除鋁合金增材制造構件氣孔缺陷，提高致密度，改善綜合力學性能。
來源：材料工程
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