一種新型3D打印鋁合金，打印態即達高性能，還不易變形開裂

3D打印技術參考注意到，來自英國倫敦大學的一個研究團隊，近日開發出一種新型的3D打印鋁合金材料，成分包括Al、Ni、Ce、Mn、Fe。與 AlSi10Mg等現有標準材料不同，這種新材料不僅更易于打印，而且還具有更高的機械性能。

與相同打印工藝制備的AlSi10Mg合金相比，該新型合金的屈服強度提高了70%，抗拉強度提高了50%。同時，殘余應力保持在32MPa以下的較低水平。

研究人員指出，高質量打印部件的開發“必須從材料入手”，而不僅僅是工藝控制。

新型鋁合金的設計目標是實現低開裂敏感性和高熱穩定性。鋁合金在高溫下強度下降通常是由于組成相溶解、析出相析出以及晶粒粗化所致。

為了克服這些影響，研究團隊選擇了在鋁中擴散性和溶解度較低的合金元素，即Ce、Fe、Mn和Ni。選擇Ce是因為它可以通過形成共晶體來改善熔體流動性，并形成能夠抑制晶粒粗化的金屬間化合物。由于Fe是鋁中不可避免的雜質，因此在合金中添加了少量Fe，含量為0.3wt%。Mn和Ni有潛力通過形成熱穩定相來提高Al-RE體系的強度。

新設計的鋁合金在打印過程中，在僅2.8℃的極窄溫度范圍內凝固，形成了極其精細的微觀結構，晶粒內部包含尺寸小于200納米的共晶晶格結構，合金組織中發現五種金屬間相，這使得材料的性能得到了提升。

文章指出，AlSi10Mg的屈服強度約112±16MPa，極限抗拉強度約279±21MPa，而打印態的新型鋁合金屈服強度為191±26MPa，極限抗拉強度提高至421±17MPa，延伸率為15%，在沉積態下表現出優異的強度與塑性平衡。

在打印引起的殘余應力方面，該合金也表現優異。激光能量沉積3D打印涉及快速冷卻和復雜的熱處理條件，這些因素對最終部件的性能影響很大。

先前的研究表明，激光定向能量沉積（DED）鋁合金的殘余應力最高（110 MPa），約為其屈服強度的35%，而電弧定向能量沉積鋁合金的最大應力（130 MPa）甚至可以達到其屈服強度。相比之下，本研究中鋁合金的殘余應力估計值極低，小于32MPa，不到屈服強度的16%，這將降低其開裂敏感性和形狀變形。

殘余應力主要來源于冷卻過程中的熱收縮以及周圍材料的機械約束。在定向能量沉積（DED）加工過程中，由于DED打印過程中較高的熱梯度和快速的溫度波動，局部加工應力可達60MPa，超過最終殘余應力。

新合金具有2.8°C的窄凝固范圍和僅0.028%的線性凝固收縮率，比Al6061低一個數量級。冷卻過程中熱收縮的顯著降低是導致合金殘余應力低的主要原因。

雖然樣品尺寸也會影響殘余應力，導致應力水平較低，有報道稱采用類似成型尺寸的DED制備的鋁材卻表現出更高的殘余應力值，這進一步顯示出這一合金的優勢。

Relativity Space采用鋁合金3D打印

這項研究的方法也十分出色。研究團隊結合了同步輻射X射線分析和紅外成像技術，實時追蹤了打印過程中溫度變化、相形成和應力累積情況。這項工作不僅為3D打印提供了一種新材料，也為未來如何專門針對增材制造工藝開發合金提供了一個范例。

該研究成果以“Mechanical and in situ thermal-related behavior during directed energy deposition additive manufacturing of a high-performance Al alloy”為題發表于《國際極端制造雜志》（International Journal of Extreme Manufacturing）。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

歡迎轉發

1.

2.

3.

4.