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长三角G60激光联盟导读

奥地利莱奥本蒙大拿大学、奥地利因斯布鲁克大学、德国埃尔朗根-纽伦堡大学、空中客车中央研发部，德国空中客车防务及航天公司、奥地利格拉茨理工大学、德国亥姆霍兹中心材料物理研究所、德国不来梅大学的研究人员报道了金属增材制造技术进展:激光粉末床熔融过程中铝合金的原位热处理。相关成果以“Advancements in metal additive manufacturing: In-situ heat treatment of aluminium alloys during the laser powder bed fusion process”为题发表在《Materials Science and Engineering: A》上。

亮点：

-展示了在激光粉末床熔融过程中对高强度铝合金进行集成（原位）热处理的适用性。

-进行了多尺度模拟，以确定适合原位热处理的构建平台加热方式。

-高分辨率显微结构分析表明，在坯料状态下就已经存在富含 Sc 的团簇。

-拉伸试验证实了通过团簇形成提高的强度，显示出与峰值时效 Scalmalloy®材料相同的强度水平。

-采用AlMgSi合金的上淬火概念来解释坯料拉伸强度的显著提高。

关键词:激光粉末床熔融;鳞状合金;溶质团簇;原位热处理;力学性能

激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术的高设计自由度，可实现新型集成结构，这反之又要求在工艺条件和材料设计方面取得进展，以充分发挥该工艺的潜力。通过对铝合金 Scalmalloy®进行多尺度热模拟计算和冶金分析，开发并提出了特定的工艺窗口，以便在LPBF过程中进行原位热处理。对在该工艺窗口中制造的试样进行的高分辨率分析和同步辐射实验表明，正如模拟预测的那样，纳米尺寸的 Al3(Scx Zr1-x)溶质团簇在坯料状态下已占很大比例。在这一实验研究的支持下，原位热处理的新加工概念使 Scalmalloy®在 LPBF 后直接获得了最高的强度值和高延展性。LPBF的这一进步使高强度、轻质材料直接制成高度复杂的薄壁结构成为可能，而需要后续热处理循环的传统工艺则无法实现这一点。

图 1.根据DIN50125-B4×20标准进行准静态拉伸测试的试样几何形状。

图 2.a, b) Scalmalloy®激光粉末床熔融(LPBF)过程中的多尺度热历史模拟；c) 200 °C 下无构建平台加热（NoBPH，蓝色）和有构建平台加热（BPH，橙色）的POI热历史，从初始激光照射开始，随后由于后续层的沉积而发生重熔。

图 3.两种试样（BPH（a,b,c,d）和 NoBPH（e,f,g,h））的蚀刻金相横截面（a,e）和电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF）的显微结构图，分别为正视图（b,f）、侧视图（c,g）和俯视图（d,h）。注：箭头表示构建方向 (BD)；（a）中的红色箭头表示材料不均匀性。

图 4.a) 通过扫描透射电子显微镜（STEM）高角度环形暗场（HAADF）分析的原生析出物，以及相应的能量色散（EDS）图谱，其中 b) Al、c) Mg、d) Mn、e) Fe、f) O 显示了各种不同的化学成分；g) 如文献报道的原生立方体 Al3（Scx Zr1-x）颗粒，析出物和基体的相应快速傅立叶变换（FFT）图像显示相同的晶格结构，但析出物中存在有序结构；h) 无平台加热（NoBPH）试样的原子探针断层扫描（APT）显示没有明显的溶质富集，i)而BPH试样显示有明显的溶质富集；j)与随机1NN分布相比，Sc-to-Sc第一近邻（1NN）聚类分析清楚地表明簇的形成。

图 5.a) 立方体试样分析示意图：b)NoBPH和BPH试样的小角 X 射线散射(SAXS) 显示，二次析出物的体积分数增加，而原生析出物则保持不变；c)顶部、中部和底部的纳米压痕显示，与NoBPH（蓝色）试样相比，BPH（橙色）试样沿构建方向的硬度值发生了变化。

图 6.a) 原状NoBPH和BPH试样进行准静态拉伸测试的工程应力-应变曲线，显示原位热处理显著提高了强度；b) 用于制造DIN50125-B4x20拉伸试样的圆柱形 BPH棒的硬度曲线和示意图。

图 7.a、e) 未进行和已进行构建平台加热的拉伸试样的宏观图，以及 b-d) 未进行构建平台加热的试样和 f-h) 已进行构建平台加热的试样的扫描电子显微镜（SEM）断裂面分析。g)中的插图显示了氧化物颗粒的详细视图。

为充分挖掘AM技术的潜力，对LPBF工艺高性能材料解决方案的需求日益增长。然而，提高铝合金的力学性能大多是通过热处理实现的，而热处理并不适用于薄壁、复杂或集成结构。本研究证明了在 LPBF 工艺中进行原位热处理的可行性，并得出以下结论：

1.利用多尺度热模拟研究了两种不同的构建平台加热配置；

2.由于析出物的冶金学特征以及工艺过程中精确的热管理，将构建平台温度调整到 200 °C，可在材料中形成 Sc 溶质团簇。

3.溶质团簇的形成可以追溯到温度的升高，以及LPBF工艺固有的高加热和冷却速率所带来的过量空位扩散的利用。

4.SAXS测量证实了强度增加的二次粒子的存在，这导致了纳米和显微硬度测量所观察到的主要硬化反应。

5.拉伸试验证实了机械层面的冶金分析，因为通过构建平台加热制造的试样显示出与峰值时效Scalmalloy®相媲美的强度值。

从AM设计的角度来看，这开辟了新的前景，例如用于未来飞机解决方案或薄壁卫星天线部件的增材制造热交换器，由于机械性能较差或复杂的热处理增加了部件变形的可能性，目前的AM材料解决方案无法满足这些要求。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146102

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