谷研究 l 选区激光熔融技术在提高AlSi9Cu3Fe 材料性能方面的研究

| 3DScienceValley · 2018/10/22

在过去的几十年中，随着工业的高速发展，对于降低生产成本和环保方面的要求日益紧迫，特别是航空航天和汽车工业中的这种需求，促进了轻量化材料和结构的发展。通过减轻重量，不仅可以节省材料成本，而且还可以降低与低燃料消耗相关的最终运输工具的重量，以及降低有害废气（特别是CO2）的排放。

传统的制造工艺，例如铸造，锻造，挤压或粉末冶金等，仍不能完全满足当前的轻量化制造趋势，因此工业领域一直在寻求新技术，以满足这些需求。增材制造/3D打印技术在制造复杂轻量化结构、微观结构方面所特有的优势，而受到了工业领域及学术界的关注，同时这些领域开始对3D打印技术与传统制造技术在制造同一种材料时所表现出的优势与差异进行了探索。

其中，布拉格化学技术大学对于选区激光熔融和高压压铸这两种不同技术加工AlSi9Cu3Fe合金材料的结果进行了分析研究。本期，3D科学谷就与谷友共同了解这项研究。

改善强度与塑性

AlSi9Cu3Fe是一种铝合金材料，具有优异的强度重量比，AlSi9CuFe 因得益于其机械强度而成为汽车工业的一种常用材料。高压压铸加工（HPDC）是常用的AlSi9CuFe加工技术，该技术可以实现高产量的零件，表现出高质量的表面，与重力铸造相比，可以生产更复杂的形状。但是，高压压铸加工也存不足，比如它难以实现复杂多孔结构或制造极小尺寸的零件，并存在产生氧化膜、收缩腔、空气孔隙等无法消除的缺陷，这些缺陷会削弱铸件结构。

布拉格化学技术大学金属系的一个研究团队使用粉末床选区激光熔融金属3D打印技术与高压压铸两种技术分别加工AlSi9Cu3Fe材料，随后对零件的微观特性和机械性能进行了比较。该团队经研究认为金属3D打印的AlSi9Cu3Fe零件在材料强度、塑性方面均有出色改善。

在研究中，研究人员通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜结合分析技术观察选区激光熔融3D打印零件与高压压铸零件的纳米级微观结构特征。

通过选区激光熔融3D打印技术加工的拉伸测试样品

3D科学谷了解到，研究人员通过单轴拉伸试验，压缩试验和硬度测量进行机械性能（静态拉伸，压缩和硬度）的测试。研究结果表明，金属3D打印的零件由于具有非常精细和独特的微观结构，在材料强度（374±11 MPa与257±17MPa）和塑性（1.9±0.2％与1.2±0.5％）方面均有出色的改善。

在（a）熔池边界和（b）熔池内部区域的TEM 图像

研究人员表示，与由α-Al枝晶和层状Al-Si共晶组成的铸态微观结构相比，选区激光熔融中产生等级异质微观结构。晶粒被排列在熔池中，表示在最高温度梯度方向上由单个激光轨道熔化和固化的材料。它们表现出非常细小的胞状晶，其中在Si和Cu中过饱和的α-Al固溶体胞晶，被由纯Si的立方颗粒形成的共晶网络分离。