激光天地導讀：目前用於鋪粉的激光增材製造鋁合金主要侷限於Al-Si二元合金。為了擴大可以進行激光增材製造鋁合金的應用範圍。研究人員開展了變形鋁合金的可打印性能的研究。如對2XXX和7XXX系列鋁合金開展了打印實驗。7075鋁合金屬於鋁合金中機械性能比較好的鋁合金。然而，在採用SLM進行製造時，7075鋁合金極易發生嚴重的裂紋傾向。來自日本東京大學的研究表明，在增材製造7075鋁合金時添加適量的Si可以獲得幾乎無裂紋的樣品。並且Si的含量的變化還可以實現工藝參數、顯微組織和機械性能的優化。當Si含量增加時，增材製造樣品中的孔隙和裂紋會得到抑制，並且獲得高緻密度的樣品所需要的體積能量密度會降低。相反，當Si添加量過多時會導致樣品的脆性增加，此時樣品的韌性和屈服強度下降並且有可能直接在SLM的過程中發生脆裂。這一矛盾的結果表明Si含量必須依據合金對象進行適當的添加以確保合金的打印性能和合金的強度、韌性之間找到平衡點。對7075鋁合金而言，

論文首頁截圖

SLM7075鋁合金時記憶形成裂紋的案例（見文獻1）

選擇性激光熔化（SLM）是一種以激光束為能量源來製造複雜形狀的高性能的金屬部件的增材製造技術。SLM增材製造的優點在於可以通過拓撲優化設計鋁合金使其輕質結構的性能得到進一步的提升。一般來說，可以採用SLM進行加工的鋁合金侷限於Al-Si二元合金。如AlSi7Mg0.6、AlSi9Mg0.3、AlSi10Mg、AlSi12等。這些合金在設計的時候是考慮鑄造過程中的緩慢熔化和緩慢凝固的特點而研製的。在採用傳統鑄造工藝製造時裂紋是很難發生的。但是Al-Si合金的強度等性能並不能滿足當今對輕質高強結構的需要。變形鋁合金（如2XXX和7XXX系列鋁合金）如果可以採用SLM進行打印的話，其性能是可以滿足汽車和航空航天等工業中隊輕質高強鋁合金的需求。然而，由於變形鋁合金在設計的時候是考慮進行冷壓加工的材料（如輥壓和擠壓等），這些合金極易在SLM過程中形成缺陷。早先的研究也指出，在SLM製造時確實極易發生嚴重的裂紋並且需要採用特別的處理措施來降低裂紋的發生傾向。如Karg等人展示了製造2219鋁合金時，採用預熱200 °C 的辦法來降低裂紋的發生傾向。同時增加了支撐結構。在他們的研究中，裂紋的抑制採取的是降低冷卻速率的辦法來實現的。他們同時也報道了氣孔的形成傾向和屈服強度同部件的結構形態密切相關。大截面的樣品其孔隙率大約為5%，導致其屈服強度較低。Koutny等人報道了SLM工藝參數對2618鋁合金相對密度和機械性能的影響。他們發現大量的裂紋其實是凝固裂紋。是由於在凝固過程中固相和液相巨大的溫度差所造成的。使用支撐結構來降低溫度梯度對降低裂紋傾向是很有幫助的。相反，將平臺預熱到400 °C並且降低掃描速度並不能改善合金的質量。其性能降低的原因是出現了裂紋，而且是凝固裂紋。作者提出了改變工藝參數（如激光功率、掃描間距和掃描速度）以及後續熱處理啊的辦法來改善機械性能。但這一策略並沒能用於實踐中。儘管以上辦法對降低裂紋傾向有一定的效果，但並不穩定可靠，因此非常有必要研究一種穩定可靠的辦法來去除裂紋並且不會對其形狀尺寸有特別的要求。

不同Si含量的7075合金粉末：（a）0Si；（b）7075+5%Si；（c）7075+16%Si

7075鋁合金是變形鋁合金7XXX系列中的一種，其靜態機械性能是商業鋁合金中較好的一種。已經有研究者通過改變工藝參數（如激光功率、掃描策略、基板預熱溫度）對SLM成形7075鋁合計或類似合金缺陷形成的影響。QI等人研究了7075合金SLM熔化模式同裂紋密度之間的關係。他們的研究發現熔池形狀可以通過改變掃描速度和 離焦量來改變。其熔池形狀可以是圓形、半圓形或者是兩者的混合。這一現象同激光焊接過程中的匙孔效應、傳到和熱轉變相對應。作者發現匙孔效應熔化模式對製造的樣品有最低的裂紋傾向性。但仍然不能完全消除微裂紋。Kuufmann等人將

製造出的樣品的外部形貌

另一個辦法就是添加Zr或者Sr來彌散分佈在鋁合金中。Martin等人利用氫穩定化的Zr納米粒子用於7075鋁合金中。Zr納米粒子以Al3Zr相彌散分佈在鋁合金中，在凝固時形成形核核心。從而形成細化的等軸晶。這一策略可以實現通過減少晶粒中侵入液相數量和降低熱收縮過程中的熱應力來實現。Scalmalloy合金就是含0.7%的Sr和0.4%的Zr的Al-Mg合金。這一合金同時也是SLM工藝中強度最高的鋁合金。這一合金採用SLM加工時可以實現無裂紋且高強度的目標。該合金的析出強化相是Al3Sc粒子。他的機械性能比較高。而且不需要通過傳統的析出強化相來增加裂紋敏感性。然而，唯一美中不足的是該合金的大規模應用受到稀土元素儲量少的限制。

垂直方向橫截面的組織：（a）0Si；（b）2%Si；（c）4%；（d）5%Si；（e）6%Si ；（f）16%

Si是地殼中儲量非常豐富而且廉價的一種元素。同時可以實現SLM過程中防止7075合金中出現裂紋。Sistiaga等人研究發現將7075合金和4%的Si混合進行SLM可以消除裂紋。Aversa等人將50%ALSIM給和50%7075合金混合後進行SLM製造業可以實現無李文的樣品製備。然而，直接採用混合粉末來進行製備會帶來合金元素分佈不均勻的問題。由此造成製備出的樣品的jxiei9性能不均勻。在我們的前期研究工作中，我們研究了SLM製備預合金7075以及5%Si的7075合金的顯微組織和性能。得到的合金的顯微組織細小均勻，含5%Si的7075合金其機械性能高於傳統的AlSi10Mg合金。這一合金有望用於SLM製備輕質高強部件。在這裡，將採用更為詳細的分析手段來對Si的影響進行研究。

樣品表層的顯微組織：（a）0Si；（b）2%Si；（c）4%；（d）5%Si；（e）6%Si ；（f）16%

為此，本文對添加Si的SLM可加工性能和得到樣品的機械性能進行了研究。採用SLM對不同Si含量的7075預合金進行製備。來研究Si對工藝性能的影響。同時對得到的樣品的顯微組織和機械性能進行了研究。

當使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時候，在激光高能環境中進行金屬3D打印會導致金屬部件遭受嚴重熱裂紋，HRL的研究人員在軟件和大數據的幫助下選擇了鋯基納米顆粒成核劑，並將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。

HRL實驗室打印的鋁合金材料

江蘇激光聯盟副理事長單位單位蘇州吳江中瑞智能打印的鋁合金製品

HRL 實驗室打印的7A77

HRL 實驗室打印得的高強7A77鋁合金 （文獻3）

文獻1：

Selective laser melting of Al7050 powder: Melting mode transition and comparison of the characteristics between the keyhole and conduction mode.TingQi,HaihongZhu,HuZhang,JieYinaLind,KebXiaoyanZeng，Materials & Design

Volume 135, 5 December 2017, Pages 257-266.https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.014

2.3D科學谷：冶金學突破：鍛造性能，HRL3D打印高強度7A77.60L鋁粉投放市場

3.HRL, NTOPOLOGY, AND MORF3D EXPLORE ADVANCED DESIGN AND MATERIALS WITH 7A77 – THE WORLD’S STRONGEST ADDITIVE ALUMINUM

，來自網站：3dprintingindustry.com。

Effects of the addition of silicon to 7075 aluminum alloy on microstructure, mechanical properties, and selective laser melting processability.Materials Science and Engineering: A,Volume 777, 10 March 2020, 139079.

YukiOtani，ShinyaSasaki.https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139079

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