激光选区熔化适配型铝合金的研究及应用现状
激光选区熔化适配型铝合金的研究及应用现状
激光选区熔化（SLM）技术在制备高性能铝合金方面展现出巨大潜力。广东省科学院新材料研究所团队在《中国有色金属学报》发表的综述文章，系统介绍了SLM适配型铝合金的研究现状及应用前景。本文从材料设计、工艺优化到实际工程应用，全面展示了SLM技术在制备高性能铝合金方面的最新进展。
研究背景
使用激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)技术制备的铝合金构件具有形状复杂、晶粒细小、力学性能优异等特点，在航天航空、轨道交通等领域有着广泛应用。然而，目前可用于SLM成形的铝合金材料仍面临着可打印种类有限、成形过程易产生冶金缺陷等问题，严重制约了SLM高性能铝合金的发展。本文基于承力构件的实际需求，综述了目前适配于SLM技术的铸造铝合金、稀土改性铝合金及铝基复合材料的研究现状，重点从适用于SLM技术的材料设计角度出发，概述所制备材料的独特微观组织及力学性能，并就SLM铝合金部件的国内外应用现状进行总结，点出现阶段SLM铝合金原材料仍多采用传统铸造材料为主的局限性，适于SLM技术的新材料、新产品在标准化以及规模化等方面仍需进一步细化和拓展。
文章亮点
- 研究现状综述：本文综述了适用于SLM技术的铝合金研究，聚焦于高性能、适合复杂结构的铝合金在微观组织、力学性能等方面的研究进展，尤其在航空、航天领域的应用；
- 材料和工艺的创新性探索：探讨了稀土元素及其他添加剂（如TiB₂、SiC等）对铝合金适配SLM工艺的影响，展示了SLM铝合金在微观结构细化、强韧性增强方面的潜力，且对铸造铝合金在SLM工艺下的改进作了详细描述；
- 应用现状及标准化进展：详细介绍了SLM铝合金在国内外应用中的最新案例，如航空航天零件，并分析了国内外SLM技术在行业标准化方面的进展及不足，指出在SLM铝合金标准化上仍需加强，以支持其广泛工业应用。
图文解析
图1 SLM技术的成形原理图
图1展示了SLM技术的工作原理，其核心步骤是逐层堆积和逐点熔化。SLM设备通过激光束扫描金属粉末床，将粉末熔化成液态小熔池，再迅速冷却凝固形成固态。每层成形后，成形平台下降一个预设层厚，新的粉末被重新均匀铺撒，进行下一层熔化，直到整个3D结构完成。SLM技术具有制造复杂内部结构和高成形精度的显著优势，因此适合复杂结构或精密部件的制造。然而，SLM工艺中由于激光与金属粉末间的相互作用对材料特性及工艺参数要求较高，若粉末材料的粒径、形态、球形度以及激光功率、扫描速度和层厚等参数不当，易导致粉末未完全熔化、气孔缺陷和结构缺陷的产生。
图2 不同扫描速度对SLM制备Al-Cu合金裂纹萌生现象的影响（a）-（f）扫描速度为100 mm/s, 150 mm/s, 200 mm/s, 250 mm/s, 300 mm/s, 350 mm/s时SLM AlCu5MnCdVA合金的裂纹萌生现象；（g）-（l）扫描速度为100 mm/s, 150 mm/s, 200 mm/s, 250 mm/s, 300 mm/s, 350 mm/s时SLM Al-Cu-Mg-Mn合金的裂纹萌生现象
图2展示了不同扫描速度对SLM制备Al-Cu合金裂纹萌生现象的影响，说明了在SLM过程中，扫描速度的变化会显著影响材料的成形质量。HU等人研究表明，扫描速度较低时熔池凝固速度较慢，容易形成致密结构；而在较高扫描速度下，金属粉末熔池的冷却速率加快，内部易产生裂纹。这一现象在AlCu5MnCdVA和Al-Cu-Mg-Mn合金中尤其显著。图中对不同扫描速度下合金内部的裂纹结构进行了对比，表明扫描速度控制对提升SLM成形质量的关键性作用，为优化SLM工艺参数、提高成形件的结构完整性提供了实验支持。
图3 铸态及SLM制备Al-50Si合金的微观组织：（a）铸态Al-50Si合金；（b）SLM制备的Al-50Si合金；（c）（b）中区域I的放大视图；（d）（b）中区域II的放大视图。
图3展示了铸态和SLM制备的Al-50Si合金的微观组织特征。JIA等人发现，Al-Si系合金作为SLM铝合金中的一类典型材料，其铸态微观组织中存在着大量板状初生Si及针状共晶Si，而SLM制备的Al-50Si合金中初生Si及共晶Si多以尺寸更小的块体形式存在。因此，由于极快的熔凝速率，采用SLM技术制备传统铸造铝合金后其物相形态会出现较大差异，同时其晶粒尺寸也得以显著细化。这一微观组织的变化也为SLM制备铝合金的性能改变提供了理论支持。
图4 SLM制备AlSi20合金与铸态AlSi20合金的应力−应变曲线。
图4展示了不同条件下的SLM成形AlSi20合金及铸态AlSi20合金的力学性能表现对比。SLM技术凭借其快速凝固的优势，可以制备出显著细化的晶粒，并得以同时提升AlSi20合金的抗拉强度和伸长率。YANG等人利用SLM技术的这一特性，在AlSi20合金中进一步加入了不同含量的P，在保证了一定抗拉强度的同时大幅度改善了合金的延展性。这一现象表明，在未使用晶粒细化剂的条件下，利用SLM技术快速熔凝的特点，便可制备具有极细晶粒的铸造铝合金，以达到优异的细晶强化效果，这对于如何进一步提升铸造铝合金的力学性能提出了新的探索方向。
图5 SLM 7075铝合金的摩擦行为：（a）SLM 7075铝合金；（b）SLM 纳米WC强化7075铝合金。
图5展示了SLM制备的7075铝合金在添加纳米增强颗粒后的摩擦性能变化。YI等人的研究表明，引入的纳米增强相（如纳米WC）可显著提升合金的耐磨性，有效降低摩擦系数。该图对比了SLM成形的原始7075铝合金与添加纳米WC后的耐磨表现，纳米添加剂改善了合金的微观组织，降低了磨损率，赋予合金优异的耐磨性能，使其在航空航天、汽车等领域应用中表现出极高的工程价值。
图6 SLM铝合金应用案例：（a）-（c）Eurostar E3000卫星铝合金结构支架；（d）空客公司的Scalmalloy铝合金部件；（e）Renishaw和Aeromet合作制备的A20X铝合金；（f）（g）GE公司制备的AlSi7Mg和AlSi10Mg合金部件。
图6展示了SLM铝合金在实际工程中的应用实例。例如，空客公司在Eurostar E3000卫星上采用了SLM成形的铝合金支架，成功减轻了结构重量约35%，并保持了强度要求。这种轻量化和强度的结合，充分展示了SLM铝合金在航天器上的实用性。此外，空客还在A320飞机上使用了Scalmalloy®铝合金材料，该材料具有极高的强度-重量比，能够在机舱结构中替代传统重型合金，为未来商用航空器件提供更轻质的解决方案。同时，SLM技术在多个领域内也有应用，如美国GE公司使用SLM打印出一种F357合金零部件，实现了结构件和功能件一体化的突破，满足了高性能汽车和航天器中对复杂几何形状的需求。这些应用实例不仅证明了SLM技术的潜力，还突显出SLM铝合金在轻量化、高强度和复杂结构制造中的广泛应用价值，为未来SLM技术在工业和民用领域的进一步推广奠定了基础。
研究结论
- 材料设计与成形工艺的优化：本文研究表明，通过对传统铝合金材料成分和结构的优化设计，可显著提升其在SLM技术中的适配性。稀土元素的添加和铝基复合材料的应用，成功改善了材料的力学性能与热裂倾向，为SLM铝合金的发展提供了新的设计思路。
- 微观组织调控提升材料性能：SLM技术的快速凝固特性使得铝合金材料在成形后具有细小的柱状-等轴双峰晶粒结构。经过热处理后，这类铝合金材料展现出更均匀的微观组织和优异的力学性能，有效提升了材料的强度和延展性，满足复杂承力结构的需求。
- SLM铝合金在高性能领域的应用前景：SLM铝合金在航空航天、汽车等领域展现出巨大的应用潜力，但由于材料种类和工艺标准尚不完善，其规模化应用仍需进一步发展。未来的研究应加强SLM技术在铝合金材料标准化方面的推进，以推动其在工业应用中的普及。
团队介绍
常成，工学博士，副研究员，广东省科学院“百人计划”D类人才，广东省机械工程学会增材制造（3D打印）分会秘书长、理事，《Advanced Powder Materials》、《材料研究与应用》青年编委。现工作于广东省科学院新材料研究所激光制造研究室，主要研究方向为激光增材制造生物医用镁、钛合金的设计及后处理工作。已发表高水平SCI论文30余篇，其中第一作者/通讯作者19篇，总引用1000余次（谷歌学术统计），发表专著2部，申请美国专利2件（授权1件），授权中国发明专利16件，实用新型2件，制定增材制造国家标准1项、行业标准1项、团体标准2项，作为项目负责人承担国家重点研发子课题1项，广东省面上项目、广州市项目各1项，负责增材制造相关经费近500万元，作为科研骨干参与国家重点研发等科研项目9项，获中国有色金属工业、中国整形美容协会科学技术二等奖各1项，担任多种SCI收录期刊的审稿人。
郭一帆，博士研究生，现就读于爱尔兰都柏林圣三一大学。研究方向为金属增材制造，以第一作者在Mat Sci Eng A, J. Alloys Compd及Surf Coat Tech期刊发表SCI论文3篇。
闫星辰，工学博士，研究员，广东省科学院新材料研究所激光制造研究室副主任（主持工作），获第七届中国科协青年人才托举工程资助，广东省特支计划青年拔尖人才，广东省科学院“杰出青年”，广东省科学院新材料研究所领军人才。兼任中国表面工程协会理事、广东省机械工程学会增材制造分会理事长、广东省激光行业协会副秘书长、广东省材料研究学会青年委员会副秘书长及《材料研究与应用》青编委副主任等。主要从事激光成形高性能材料研究，发表SCI论文90余篇，申请发明专利34件，授权专利21件，主持/参与编写专著1部，参与制修订国家标准5项，主持制定团体/企业标准7项。主持国家项目、省级项目10项，受企业委托项目10余项，总经费超2000万元，获中国有色金属工业协会一等奖1项、二等奖2项。
刘敏，教授级高级工程师，博士生导师，973项目首席科学家，现代材料表面工程技术国家工程实验室主任。现任广东省科学院副院长、中国材料研究学会常务理事、广东省材料研究学会常务副理事长、中国机械工程学会表面工程分会副主任、中国腐蚀学会高温腐蚀与防腐专业委员会副主任。长期从事热喷涂、激光制造等方面的研究和工程化应用工作，先后主持国家重点研发计划、863、973、军工配套、军工技改以及省重大专项等30多项，多项技术已经成功应用于航空、钢铁、包装印刷和能源等国民经济部门，并取得了较大的社会效益和经济效益。编写论著2部，发表论文100多篇，获得专利30多件。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技奖10余项。2000年起享受国务院政府特殊津贴，2001年获广东省五一劳动奖章，2004年获“新世纪百千万人才工程国家级人选”，2006年获中国有色金属工业科学技术优秀科技工作者称号。
消息来源：中国有色金属学报
