鋁合金是常用結(jié)構(gòu)件材料之一，其中2系Al-Cu-Mg合金因具有密度低、比強度和比剛度高、塑性好、導熱性優(yōu)異等特點，已成為實現(xiàn)高端關(guān)鍵裝備結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，在航空航天和船舶裝備領域具有廣闊的應用前景。然而Al-Cu-Mg合金由于較低的激光吸收率和寬的凝固溫度區(qū)間，使其在增材制造過程中易產(chǎn)生熱裂等缺陷而難以制造，需要對工藝參數(shù)與缺陷演化的關(guān)系進行進一步的研究。
針對此問題，近日上海交通大學特種材料研究所聯(lián)合上海船舶動力創(chuàng)新中心有限公司，共同開展船舶發(fā)動機鋁合金增材制造技術(shù)研究，針對不同激光工藝條件下Al-Cu-Mg合金的缺陷演變過程開展工作，揭示裂紋形成機理及工藝參數(shù)對缺陷的影響機制，為船用發(fā)動機鋁合金構(gòu)構(gòu)件增材制造應用奠定基礎。相關(guān)研究成果以“Relationship between process parameters and defects in laser powder bed fusion additive manufacturing of crack-sensitive Al-Cu-Mg alloy” 為題在冶金領域高水平期刊Metallurgical and Materials Transactions A發(fā)表。上海船舶動力創(chuàng)新中心有限公司孫騰騰博士和上海交大碩士生王子謙為共同一作；王洪澤副教授和吳一副教授為共同通信作者；共同作者還包括博士生魏強龍、本科生王詩淼、之江實驗室孔令雨、姜紅建、上海交大汪明亮副研究員、唐梓玨助理研究員、孫華助理研究員與王浩偉講席教授。
工藝參數(shù)對裂紋的影響
研究人員通過不同工藝參數(shù)組合（激光功率、掃描速度、掃描道次間距等）下的單道單層沉積實驗驗證了工藝參數(shù)對熔池形貌以及凝固裂紋萌生過程的影響，同時發(fā)現(xiàn)激光功率對熔池尺寸的影響相較于掃描速度更強。結(jié)合單道多層沉積實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿材料沉積方向的Al-Cu-Mg合金組織可以大致劃分為靠近基板附近的細柱狀晶區(qū)域，中部的粗大柱狀晶區(qū)域和頂部的細等軸晶區(qū)域，這與多層沉積過程中不同位置的冷卻速度差異高度相關(guān)。
▲圖1：單道單層沉積實驗結(jié)果
▲圖2：單道多層沉積實驗結(jié)果
通過對多道多層沉積制備的塊狀樣品進行成形缺陷表征，確定了激光粉末床熔化成形Al-Cu-Mg合金的缺陷演變過程，明確該類合金中的缺陷主要為形狀不規(guī)則未熔合孔洞，形狀規(guī)則、尺寸細小的氣孔，尺寸為幾十微米的熔體補縮不足短裂紋以及從數(shù)百微米到幾毫米長的凝固收縮長裂紋。同時以體積能量密度、試樣相對密度為標準對成形質(zhì)量和工藝參數(shù)之間的映射關(guān)系進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在426~681J/mm3的能量密度下樣品具有最好的成形質(zhì)量。
▲圖3：不同工藝參數(shù)下致密度演變
本研究通過對各類缺陷的形成過程進行深入討論分析，最終成功獲得激光粉末床熔化成形Al-Cu-Mg合金的成形工藝圖譜，給出了針對不同激光功率、掃描速度、掃描道次間距的工藝參數(shù)組合與缺陷演化的快速簡易篩選方法，可有效指導高致密、無裂紋鋁合金的增材制造工藝選擇。
▲圖4： Al-Cu-Mg合金激光粉末床增材制造成形工藝圖譜
