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铝合金之--3D打印

2023-10-18

     铝合金由于其高激光反射率、高热导率及易氧化性,属于典型的难激光增材制造的材料。具体来说,铝合金对波长为1060nm激光的低吸收率和高热导率,在SLM成形过程中需要高能量激光来熔化铝粉末,这会导致高蒸气压元素(如Li Zn和Mg)的蒸发,这些元素的损失会增加制件内部的成分不均匀性、并影响到最终制件的力学性能;铝有很大的亲氧性,增材制造过程中微量的氧气都会导致高熔点氧化铝膜生成,从而极易形成内部裂纹等缺陷。

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       铝合金3D打印制造零件的最大优势在于能够制造具有较高精度的复杂形状的结构件,如具有更高换热效率的热交换器、轻量化的支架、蒙皮点阵结构等。目前开展SLM成形工艺研究的铝合金有Al-Si系、Al-Mg系、Al-Cu系和Al-Zn-Mg系合金等,但取得成熟应用的只有Al-Si系铸造铝合金。

      Al-Si系铸造合金由于流动性好、收缩小、铸件致密、不易产生铸造裂纹以及具有良好的焊接性能,SLM工艺适配性好,目前主要有AlSi7Mg、AlSi10Mg和 AlSi12 等。这些SLM成形的铝合金具有良好的导热性能和力学性能,主要应用于航空航天或汽车行业中的薄壁多孔零件,如各类换热器等。

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      AlSi10Mg合金是一种亚共晶合金,Si元素占合金元素的比重最大,除Si 元素以外还存在 Mg、Fe 等元素,SLM成形时急剧的凝固速度可以使晶粒明显细化,使得原本较为粗大的Si相转变为在基体材料中弥散分布的细小的共晶Si颗粒,如图5所示。除此之外,在凝固过程中产生大量的置换固溶体,以及少量的Mg2Si增强相,使SLM制件组织产生固溶强化。AlSi10Mg成形态/沉积态的抗拉强度较铸件高,但延伸率较低,经热处理后抗拉强度可达330Mpa、屈服强度超过210Mpa,延伸率可达10%以上。

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     当前AlSi10Mg、AlSi7Mg等铝合金SLM制件的强度仍然偏低(屈服强度仅200多MPa),耐热、耐疲劳、耐腐蚀、导热等性能在面对更高服役要求的应用场合时仍不足以应对,市场迫切需要高强度或高导热的新型高性能铝合金,下面分别简要介绍3D打印的高强和高导热铝合金。

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