项目名称超高强铝合金材料的增材制造(3D打印)关键技

项目名称：超高强铝合金材料的增材制造（3D打印）关键技术研究与应用

参与人员：李小平, 雷卫宁,史先传，孙顺平,王洪金,顾斌杰，陈菊芳

项目简介：团队研发的金属3D打印（Metals 3D Printing）的设备，采用熔融的金属（合金）通过高压雾化气体将金属液体成分雾化成细小的液体和固体颗粒的混合物，结合计算机三维设计，控制雾化器的雾化状态和各参数，同时控制接收体的运动轨迹和速度，实现金属的逐层堆积，达到生产不同形状和尺寸的金属零部件的目的。而且生产的金属3D打印设备具有效率高（5-10Kg/每分钟）,打印生产的材料或零件致密度高（≥95%的金属或合金的理论密度），内部组织结构细小（平均晶粒大小为10-20μm），具有优良的综合力学性能等优良特点。该项目运用已有的理论和工艺的研究成果，开展该领域的成形设备的研制，开发出相应的自动化程度高、稳定可靠的工程化装备，满足诸多领域对高强高韧铝合金材料与产品的需求，而且因为性能的大幅提高为轻量化的结构设计提供了材料保障。特别是具有很好的变形加工性能，经过后续的变形可以制备不同形状和尺寸的超高性能的零部件，广泛应用于航空航天、石油和地质勘探、船用轻质材料、汽车工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、医疗产业等领域。

创新成果主要体现在以下两方面：

1）高强铝合金材料的开发与应用

采用自主研制的金属增材制造，针对不同的铝合金材料（如7050、7055、7075等铝合金），制备出具有晶粒细小（平均粒径5-20μm）、组织均匀、能够抑制宏观偏析，具有半固态加工所要求的等轴晶粒的组织特征，在设备和工艺上保证制备的坯体组织和成分的均匀性，为半固态加工准备具有优异组织和性能的原材料，特别是针对7×××系铝合金超高强、高韧材料的工业化生产展开研究，通过对增材制造材料在后续的成型工艺的研究，探索优化的工艺，；采用中频电源进行加热，在加热过程中严格控制加热温度和保温时间，以实现产品性能的最优化。通过热挤压成管或型材过程中的挤压温度、挤压比、挤压速率等工艺参数对薄壁管材的成型性以及对产品组织和性能的影响，探索出了一条优化的工艺，达到批量生产的目的。实现了7系铝合的复杂薄壁零件的批量生产，性能指标达到或超过美国现有7075/7055铝合金材料水平的高性能船用、核反应堆重要耐高压、轻质薄壁管件和板材，可以从根本上解决当前我国对此种先进铝合金的迫切需求，优化新型铝合金的制备技术和工艺、材料热处理和热加工工艺，其性能稳定，产品性能达到或超过国外同类产品的先进水平。

团队以航空航天领域应用较广的Al-Zn-Mg-Cu 7xxx铝合金为实验材料，以高性能7xxx含微量稀土元素铝合金为研究对象，通过添加微量稀土元素，结合增材制造技术获得此类铝合金制件。很好地解决了控制细晶7×××系铝合金在后续进行大变形时再结晶过程中的晶粒异常长大的现象，为设计和制造新型高性能超高强7xxx铝合金结构材料提供新的思路和方法。

2）核心设备的研究与开发

自主研发的增材制造（3D打印）设备，采用熔融的金属（合金）通过高压雾化气体将金属液体成分雾化成细小的液体和固体颗粒的混合物，结合计算机三维设计，控制雾化器的雾化状态和各参数，同时控制接收体的运动轨迹和速度，实现金属的逐层堆积，达到生产不同形状和尺寸的金属零部件的目的。成功地研制出拥有自主知识产权的全自动控制的设备，达到了工程化和产业化的目的。而且生产的金属3D打印设备具有效率高（5-10Kg/每分钟）,打印生产的材料或零件致密度高（≥95%的金属或合金的理论密度），内部组织结构细小（平均晶粒大小为10-20μm），具有优良的综合力学性能等优良特点。

围绕本项目的发明专利详见下表：

围绕该项目发表代表性科研论文：

[1]Li Xiao-Ping(李小平), Sun Shun-Ping(孙顺平), Yu Y un(于赟),Wang Hong-Jin(王洪金), Jiang

Yong(江勇), and Yi Dan-Qing(易丹青)，Composition and temperature dependences of site occupation for Al, Cr, W, and Nb in MoSi2，Chin. Phys. B Vol. 24, No. 12 (2015) 120502(IF=

1.603, SCI)

[2] S. P. Sun，X. P. Li，H. J. Wang，Prediction on anisotropic elasticity, sound velocity, and

thermodynamic properties of MoSi2 under pressure,，Journal of Alloys and Compounds，2015，652：106-115(IF=2.999, SCI)

[3]X.P. Li, S.P. Sun, H.J. Wang, W.N. Lei, Y. Jiang, D.Q. Yi，Electronic structure and point defect

concentrations of C11b MoSi2 by first-principles calculations[J]，Journal of Alloys and Compounds，2014, 605：45-50. (IF=2.999, SCI)

[4]S. P. Sun, X. P. Li,H. J. Wang, H. F. Jiang, W. N. Lei, Y. Jiang, D. Q. Yi, First-principles

investigations on the electronic properties and stabilities of low-index surfaces of L12-Al3Sc intermetallic[J], Applied Surface Science, 2014，288：609-618(IF= 2.711, SCI)

[5]Xiaoping Li, Zhou Xu,Y un Yu，The study of interfacial reactions and mechanics properties for die

casting (Al63Cu25Fe12)p /AZ91 composites[J]，Materials Science Forum，2010, 650:253-259（EI：20103313148650）

[6]X.P. Li, Z. Xu, F. Yan，A novel (Al63Cu25Fe12)p/ A356 aluminum alloy composites prepared by

Osprey technology[J]，Transactions of Nonferrous Metals Society of china, 2006，16（S3）:1362-1365（SCI: 140RP）

[7]孙顺平，李小平，卢雅琳，李勇，黄道远，易丹青，基于Miedema模型Al3X(Sc, Er, Zr,Li)

点缺陷形成焓的计算，稀有金属材料与工程，42, (7), 1478-1482, 2013. (SCI)