Al6061 铝合金激光熔化3D打印热裂纹问题的解决方法

根据SmarTech，增材制造铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”，成为支持增材制造技术的下一代机遇。但长期以来，在3D打印铝合金材料中，仅少数Al-Si基铸造合金已实现无裂纹加工。焊接性较差的锻造铝合金，由于高的热梯度会促进柱状生长并因此引起热裂纹，因此锻造级铝合金的增材制造应用受到了很大的限制。

据观察，这一限制正在被打破。2019年以来陆续商业化的高强度铝合金3D打印材料，为原来必须通过锻造来实现的零件加工打开了一扇崭新的大门，结合3D打印所释放的设计自由度，锻造铝合金增材制造技术将在压力容器、液压歧管、托架、高强度结构件领域获得想象力巨大的市场空间。

新型3D打印锻造铝合金材料的开发仍在继续发展。本文将分享法国学者Mathieu Opprecht等人在3D打印AI6061铝合金消除热裂纹方面所开展的最新研究成果。

迈向完全等轴晶结构的第一步

当使用选区激光熔化3D打印技术进行锻造铝合金成形时，易于发生严重的开裂。近年来，为了获得具有高机械性能的致密零件，许多研究都集中在工艺参数的优化上，然而通过这种方式处理的材料范围仍然相当有限。在锻造铝合金中，Al6061和Al7075 在选区激光熔化过程中裂纹水平特别高。

来自法国学者Mathieu Opprecht等人的最新研究表明，添加一定数量的钇稳定氧化锆（YSZ）可以诱导晶粒细化，改变3D打印6061铝合金材料的微观结构，从而消除热裂纹现象。相关论文发表在Acta Materialia期刊中。

晶粒细化的两种方法

论文表明，有两种方法可以进行晶粒细化。第一种方法是在打印过程中控制热应力。第二种方法是通过改变合金成分或在基础粉末中直接添加成核剂来增强异相成核。

无论是焊接工艺还是选区激光熔化工艺，产生热裂纹的原因大体相似。在这两种情况下，工艺参数都会引起热应力，这是造成裂纹的关键因素。然而通过工艺参数控制难以实现对热应力的控制。论文表示，要想显著降低热应力，就需要大幅降低温度梯度，而在选区激光熔化工艺中，无法通过工艺参数或环境的改变实现这一目标。在热处理过程中，用于产生强化相的合金元素通常会增加凝固温度范围，在之前的研究中，这一点也是十分不利的。此外，在3D打印工艺中，高温度梯度通常会引起沿构造方向拉长的柱晶结构，促进热裂纹现象的产生。

在这项研究中，研究人员使用方法是第二种，即将不同数量的钇稳定氧化锆（YSZ）添加到Al6061基础粉末中。实验发现，晶粒细化效果取决于添加的YSZ量。从1％（体积分数）开始，SEM和EBSD图像显示出呈双峰分布的等轴柱状晶粒的微观结构。结果表明，添加2％（体积分数）的YSZ可以完全避免熔池边界上的裂纹。论文基于TEM和DRX研究为3D打印过程中添加剂的使用提供了新的见解。文章在许多现有的凝固模型的基础上讨论了实验结果，重点讨论了实现等轴凝固方案的必要条件。

论文表明，仍需要后续工作进一步研究打印材料的力学性能，如：Al3Zr沉淀相和晶粒结构的影响。此外，关于这种新型合金，另一个有意义的研究角度是后期热处理。研究表明，大量的Zr富集于固溶体中。通过适当的时效处理，预期会沉淀出纳米Al3Zr相，从而使基体变硬。

根据现有的实验结果，该方法还可应用于其他对热裂纹敏感的铝合金3D打印工艺。这项工作实现了迈向完全等轴晶结构的第一步，对材料力学性能的提升十分有益。

在此之前，已有通过文中提到的第二种方法进行晶粒细化的先例。如Martin等人通过向Al7075粉末中添加成核剂，成功3D打印了无裂纹部件。另有一个典型的成功案例是空中客车APWorks© 为3D打印开发的高强度铝合金-Scalmalloy，这是一种Sc和Zr改性的5xxx铝合金。Al3Zr / Al3Sc有利核相的析出是消除热裂解作用的主要原因。

Scalmalloy 材料已被证明是有效的，但该材料所依赖的Sc稀土元素成本昂贵。在本文分享的法国学者的研究工作中，其中一个目的是使用低成本的纳米级YSZ粒子作为成核剂，从而消除裂纹敏感铝合金中的裂纹。之所以选择钇稳定氧化锆（YSZ）粉末，是因为其具有大规模生产的条件，易于处理以及能够沉淀Al3Zr相的低廉价格和可用性。

Al3Zr是αAlFCC的铸造和焊接工艺中众所周知的铝核相。在本文分享的研究成果中，学者们对添加YSZ量子点的Al6061铝合金加工过程中的晶粒细化效果进行了整体性研究。

此外，还有一种高强度3D打印锻造铝合金材料也采用了添加锆基成核剂的方式实现晶粒细化、消除裂纹。该材料为HRL实验室所开发的3D打印用高强度7A77.60L铝粉，已正式投向市场。HRL实验室选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组合到了7075和6061系列铝合金粉末中。成型后的材料无裂纹、等轴（即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度，这一3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，平均伸长率超过8％。