高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展
第51卷2023年3月第3期第29-38页材料工程J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n gV o l.51M a r.2023N o.3p p.29-38增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展R e s e a r c h p r o g r e s s i nd e f e c t s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y李雯哲1,钱锋1,2*,程兴旺1,2,3(1北京理工大学材料学院,北京100081;2北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室,北京100081;3北京理工大学唐山研究院,河北唐山063003)L IW e n z h e1,Q I A NF e n g1,2*,C H E N G X i n g w a n g1,2,3(1S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;2N a t i o n a lK e y L a b o r a t o r yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o n M a t e r i a l sU n d e r S h o c ka n dI m p a c t,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;3T a n g s h a nA c a d e m y,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,T a n g s h a n063003,H e b e i,C h i n a)摘要:铝合金是一种重要的轻质金属结构材料,广泛应用于航空航天和交通运输等领域㊂行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求,传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂增材制造作为一种新兴的快速成形技术,为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路㊂然而,由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质,通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,严重损害其力学性能,限制其实际生产应用㊂本文综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展及发展趋势,并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分,进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂关键词:中高强铝合金;增材制造;缺陷;优化工艺参数;优化合金成分;添加形核剂d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2022.000038中图分类号:T G146.2+1文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2023)03-0029-10A b s t r a c t:A l u m i n u ma l l o y i s a n i m p o r t a n t l i g h tm e t a l s t r u c t u r a lm a t e r i a l,w h i c hh a s b e e nw i d e l y u s e d i na e r o s p a c ea n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r i e s.W r o u g h ta l u m i n u m a l l o y s g e n e r a l l y r e q u i r ee x t r u s i o n, r o l l i n g o r f o r g i n g a f t e rc a s t i n g t ob e p r o c e s s e di n t of i n i s h e d p r o d u c t s.H o w e v e r,t h i sc o n v e n t i o n a l c a s t i n g-d e f o r m i n g-c u t t i n g s u b t r a c t i v e m a n u f a c t u r i n g r o u t eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t t o m e e t t h e m a n u f a c t u r i n g d e m a n d so fh i g h e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y.A sa n e m e r g i n g m a n u f a c t u r i n g m e t h o d,a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g(AM)p r o v i d e s b r a n d-n e w p o s s i b i l i t i e s f o r t h e m a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n u m a l l o y sb y d e p o s i t i n g s u b s e q u e n t l a y e r sb a s e do nd i g i t a ld r a w i n g f i l e s t o m a k e t h r e e-d i m e n s i o n a l o b j e c t s.H o w e v e r,m o s t a l u m i n u ma l l o y s a r e s u f f e r i n g f r o mt h e v a r i o u s d e f e c t i s s u e sd u et ot h e m a n u f a c t u r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r-b a s e d AM p r o c e s s e sa n ds e v e r a l i n t r i n s i c p r o p e r t i e so fa l u m i n u m a l l o y s,w h i c hi m p a i rt h e i r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dl i m i tt h e i ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s.V a r i o u s d e f e c t s a n d c o r r e s p o n d i n g c a u s e s i na d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e dm e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h i s p a p e r.I na d d i t i o n,l a t e s t r e s e a r c h e so ne l i m i n a t i n g d e f e c t s a n d t h u s i m p r o v i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fAMa l u m i n u ma l l o y sw e r e s u m m a r i z e d f r o mt h r e e a s p e c t s:p r o c e s s p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o na n dn u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n.Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月T h i s w o r k d e m o n s t r a t e s t h a t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r a n d a l l o y c o m p o s i t i o n s h o u l d b e r e g u l a t e d s y n e r g i s t i c a l l y t o i m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y,a n dt h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n ts h o u l da l s ob ei n v e-s t i g a t e d.K e y w o r d s:m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t h a l u m i n u ma l l o y;a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g;d e f e c t;p r o c e s s p a r a m e-t e r o p t i m i z a t i o n;a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o n;n u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n铝合金因具有比强度高㊁导热导电性良好和耐腐蚀等优点,一直作为最重要的轻质金属结构材料被广泛应用于航空航天㊁交通运输㊁电力传输㊁机械制造㊁核电和建筑等国家战略产业[1]㊂如今这些行业的快速发展不仅要求铝合金具有优良的服役性能,对其制备过程也提出了越来越高的要求,传统的减材制造方法已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂因此,探索更为稳定㊁智能的铝合金零件制备方法成为铝合金行业亟待解决的难题㊂增材制造是一种新兴的快速成形技术,其本质是以数字化模型为基础,在计算机的指令下,将金属粉末或丝材通过逐道次㊁逐层制造的方式制备成三维金属零件㊂因此,增材制造能够摆脱模具的限制,以近净成形的方式高效制备结构高度复杂的金属零件,为铝合金零件的制备提供了崭新的思路㊂然而,增材制造往往采用激光束或电子束作为能量源,使合金在极高的温度梯度和冷却速率条件下发生凝固;此外,中高强铝合金具有高热导率和激光反射率㊁宽凝固温度范围等本征性质㊂因此,采用增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,其中热裂纹问题最为严重,损害零件的力学性能和使用安全性,限制其实际生产应用㊂本文总结了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展和发展趋势㊂1中高强铝合金铝合金是以纯铝为基础的合金总称,主合金元素有铜㊁硅㊁锰㊁锌㊁镁等,微量合金元素包括镍㊁铁㊁钛㊁铬㊁锂等[1],根据主合金元素的不同可分为八大类铝合金[2]㊂其中2ˑˑˑ(A l-C u),6ˑˑˑ(A l-M g-S i)和7ˑˑˑ(A l-Z n-M g)系铝合金为中高强铝合金,都属于可热处理强化型铝合金,经过固溶+高温人工时效(160~200ħ)热处理后可达到峰值时效(T6)状态㊂T6态中高强铝合金的高密度纳米析出强化相阻碍位错运动,产生时效强化效果使其强度达到最高值㊂2/6/7ˑˑˑ系中高强铝合金中的合金元素含量较低,都属于变形铝合金[3]㊂目前铝合金零件的制备主要依靠 铸造 变形加工 去除切削 热处理 流程[4],首先通过熔炼和铸造生产出铝合金铸坯锭,随后对其进行轧制㊁挤压㊁冷拔㊁锻造或冷冲变形加工,制成板㊁带㊁管㊁棒或线状铝合金零件半成品,最终通过去除处理(如铣削㊁锯切等方式)和热处理得到自由形状铝合金零件成品㊂不难看出,上述传统制造过程会产生大量工业废气废水㊁铝灰废渣和工业噪声等㊂进入21世纪以来,世界各国普遍意识到 节能减排,绿色发展 的必要性,我国更是提出 努力争取2060年前实现碳中和 的奋斗目标,因此,响应国家优化能源结构㊁建立健全绿色低碳循环发展的号召,探索更为环境友好的中高强铝合金制造方法成为亟待解决的难题㊂2金属增材制造2.1金属增材制造特点金属增材制造的过程可分为4步:(1)通过计算机辅助设计-计算机辅助制造(C A D-C AM)软件建模,设计出所需要的复杂结构[5];(2)将三维模型转化为S T L格式的文件,即将物体模型的所有表面都近似处理为多边形结构[6];(3)将S T L格式的模型分切成无数个横截面,即逐层切片[7];(4)指导打印机逐层㊁逐行㊁逐点打印㊂金属增材制造颠覆了传统减材制造的流程规划和理念模式,对传统制造业向现代制造业的转变产生了深刻影响[8-9]㊂增材制造的显著特征可概括为以下3点:(1)近净成形,仅需要少量甚至无须后加工,一方面节省大量工序而节约制造成本,另一方面节约大量原材料而提高材料利用率;(2)敏捷成形,成形速率快,提高实际生产效率;无须模具,在前期产品设计阶段可以随时根据设计好的成品来调试,从而实现设计快速迭代而缩减反复开模所耗费的成本及时间;(3)自由成形,通过逐层制造摆脱模具限制,提高设计自由度和制造灵活度,可以实现高度复杂结构制造,提高产品的个性化程度㊂03Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展2.2 金属增材制造技术分类目前金属直接增材制造技术可大致分为直接能量沉积技术(d i r e c t e n e r g y d e po s i t i o n ,D E D )和粉末床熔融技术(p o w d e r b e d f u s i o n ,P B F )㊂其中,D E D 又可分为激光熔融沉积(l a s e rm e l t i n g d e p o s i t i o n ,L M D )和电弧增材制造(w i r e a r c a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e ,W A A M ),P B F 又可分为选区激光熔融(s e l e c t e d l a s e rm e l t i n g ,S L M )和电子束选区熔融(e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g,E B S M )㊂表1为各类增材制造技术及其特点[10]㊂D E D 适用于大体积零件制造,其中L M D 更适用于材料-结构-性能一体化制造,而W A A M 具有低成本的特点;P B F 则更适用于小尺寸精密零件制造,其中S L M 制造的零件精度更高㊁表面质量更好,而E B S M 制造产生的残余应力更低㊂因此,研究人员可以根据金属零件的用途选择合适的增材制造技术,利用合适的金属粉末或丝材制造出金属零件成品或半成品㊂表1 各类增材制造技术及其特点[10]T a b l e 1 D i f f e r e n t a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n i qu e s a n d f e a t u r e s [10]A d d i t i v em a n u f a c t u r i n g R a w m a t e r i a lE n e r g y s o u r c eF e a t u r eD E D L M D M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g he f f i c i e n c y f o rm a n u f a c t u r i n g ;h i g h f l e x i b i l i t y;s u i t a b l e f o r l a r g e -v o l u m e p a r t s ;s u i t a b l e f o rm u l t i p l em a t e r i a l sm i x i n gWA AMM e t a lw i r e L a s e r b e a m H i g hm a t e r i a l a v a i l a b i l i t y ;l o w p r o d u c t i o nc o s t ;s u i t a b l e f o r l a r ge -v o l u m e p a r t s P B F S L M M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g ha c c u r a c y ;s u i t a b l ef o r h igh l y c o m p l e x p a r t s ;hi gh s u r f a c e q u a l i t y ;lo wl a s e r p o w e r E B S MM e t a l p o w d e rE l e c t r o nb e a mL o wr e s i d u a l s t r e s s ;h i g he f f i c i e n c y fo r t h e d e f l e c t a b l e e l e c t r o n b e a m3 增材制造中高强铝合金的缺陷目前,增材制造中高强铝合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战[11-13]㊂一方面,在激光/电子束增材制造过程中会引入很大的温度梯度(约106K/m )和凝固速率(约10-2m /s)[14],这将导致极高的冷却速率|̇T |(约104K /s ),因此容易形成柱状晶晶粒形貌[15-16],如图1所示[15];另一方面,由于中高强铝合金的某些本征性质,通过增材制造技术制备时容易形成各类缺陷而损害其性能㊂目前可用于增材制造的铝合金还局限于近共晶成分铝合金,如A l S i 10M g[17-18],A l S i 12[19-21],A l S i 7M g 0.3(A 356)[22-23],A l -10C e [11]和图1 合金凝固过程中的凝固速率㊁温度梯度和晶粒形貌之间的关系[15]F i g .1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o l i d i f i c a t i o n r a t e ,t e m pe r a t u r e g r a d i e n t a n dm i c r o s t r u c t u r e d u r i n g a l l o y so l i d i f i c a t i o n [15]A l -N i [24]合金等㊂3.1 热裂纹铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性,其中以凝固裂纹问题最为严重㊂热裂纹往往会沿着粗大柱状晶之间的晶界开裂,并贯穿于多层打印层之间,严重损害其机械强度㊁疲劳寿命和断裂韧度㊂铝合金极高的热裂纹倾向性主要与本征性质有关㊂(1)热导率较高[25]㊂在增材制造很高的加工温度下,铝合金凝固时很难获得足够的过冷度,因此凝固形核率低,普遍形成柱状晶的微观结构㊂(2)激光反射率高[26]㊂对于波长为1064n m 的激光吸收率仅为5%~15%,为了使铝合金粉末充分熔化凝固,需要提高增材制造过程中的激光功率[27],故加工过程中的温度梯度和冷却速率进一步提高,形成的柱状晶较其他材料而言也更为粗大㊂(3)中高强铝合金的凝固温度范围普遍较大(固/液相线距离远)[28]㊂如7075铝合金的凝固范围为Δ170K (如图2(a )橙色线所示),而A l S i 10M g 合金的凝固范围仅为Δ30K (如图2(a )蓝色线所示)[29]㊂因此,不同于A l S i 10M g 中的短小枝晶,中高强铝合金凝固时有较长时间处于液固共存状态(糊状区),在缺少形核位点的情况下进而形成枝晶和枝晶间液体长通道(图2(b ))[29],这将导致:①枝晶内和枝晶间在凝固过程中的凝固程度不同,易引入热应力而促进热裂纹萌生[30-31];②糊状区的枝晶网络错综复杂,阻碍液体向体13Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图2增材制造铝合金的凝固行为[29](a)凝固曲线;(b)不同凝固温度区间下的凝固机理图F i g.2 S o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d a l u m i n i u ma l l o y s[29] (a)s o l i d i f i c a t i o n c u r v e s;(b)s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f s o l i d i f i c a t i o nu n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e r a n g e s积收缩区域流动,导致中高强铝合金的流动性差,难以弥补体积收缩区域的体积变化,从而促进热裂纹萌生[28,32]㊂(4)合金在激光增材制造凝固过程中温度梯度极大,易引入大量热应力[33-34],再加上中高强铝合金的热膨胀系数大[27],凝固时体积收缩明显,极易在柱状晶薄弱晶界处形成热裂纹(凝固裂纹)[35],且由于柱状晶较为粗大,热裂纹往往会存在于数层打印层之间㊂(5)合金元素在增材制造快速凝固过程中来不及充分扩散,易在能量㊁结构㊁成分起伏较大的晶界处富集[29]㊂因此,当铝合金完全凝固后,在柱状晶间的晶界处会形成大量脆性金属间化合物,在逐层累积的热应力作用下容易作为热裂纹萌生源而发生开裂(液化裂纹)㊂3.2孔洞孔洞的存在也会降低材料的致密度而损害其性能㊂中高强铝合金在增材制造过程中易形成匙孔㊁气孔和未熔合缺陷(图3)㊂孔洞特征和形成原因为:(1)匙孔:大型不规则孔洞(图3(a))㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素沸点较低,分别为1107ħ和907ħ㊂在较高激光能量作用下易发生选择性蒸发,产生朝向熔池底部的㊁大于液态金属表面张力的反冲压力,形成轮廓凹凸不平㊁内部空腔的匙孔㊂(2)气孔:球形孔洞(图3(b))是增材制造金属中最普遍的孔洞类型㊂铝合金粉末的吸湿度较高[36-37],水分子在高激光功率的作用下形成氢气,而氢气在液态㊁固态铝合金中的溶解度变化极大,分别为0.65 m L/100g和0.034m L/100g[6,38],即在铝合金凝固时氢气的溶解度降低近100%㊂但是,铝合金在3D打印过程中的凝固速率极快,这部分多余的氢气来不及充分扩散而被困在固态铝合金中,最终形成氢孔㊂(3)未熔合缺陷:小型不规则孔洞(图3(c))㊂铝合金粉末的激光反射率高,导致激光熔融过程中用于熔化合金粉末颗粒的激光能量不足,使相邻层之间的熔融重叠不充分,从而导致相邻层间形成未熔合孔洞㊂图3各类孔洞尺寸示意图(a)匙孔;(b)气孔;(c)未熔合缺陷F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m s o f d i f f e r e n t p o r o s i t i e s(a)k e y h o l e;(b)g a s p o r e;(c)l a c ko f f u s i o nd e f e c t23Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展此外,铝合金粉末的流动性较差[39-40],难以连续㊁稳定地送入熔池中,再加上铝合金粉末颗粒表面易形成合金氧化物,均导致铝合金粉末颗粒与基材接触不良㊂基于最小表面能原理,液态金属在表面张力的作用下可能会收缩为球形,这种球化作用同样会使铝合金形成未熔合缺陷㊂3.3元素挥发增材制造过程中的激光能量较高,若合金中某些元素的沸点低于合金母材沸点,则可能会发生选择性蒸发㊂表2为S L M增材制造铝合金的化学成分㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素在较高激光功率熔融时易挥发[25],合金成分易发生波动而引起成分变化,这表2S L M增材制造铝合金的化学成分(质量分数/%)T a b l e2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y s(m a s s f r a c t i o n/%)A l l o y A l l o y s t a t e Z n M g N i M n C u F e C r S i T i A l A A2017A l l o yp o w d e r0.210.720.0090.5704.000.400.0160.5600.051B a lP r o t o t y p i n gp a r t0.070.480.0130.6103.900.500.0350.5800.031B a l A A7020A l l o yp o w d e r4.301.300.0060.2900.100.290.1300.0770.025B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.001.000.0090.3000.170.310.1400.1300.024B a l A A7075A l l o yp o w d e r5.802.600.0070.0541.400.250.1800.0810.034B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.902.100.0070.0571.500.270.2000.1100.036B a l将改变材料的凝固组织㊁力学性能和耐腐蚀性等㊂3.4氧化现象由于氧化铝的热力学稳定性较高,铝合金粉末表面极易产生氧化膜㊂尽管增材制造过程中不断充入惰性气体,但真空腔室中仍会有0.1%~0.2%的氧气残留,这导致在逐层打印过程中会发生氧化现象[9]㊂一方面,增材制造过程中的氧化现象会显著降低增材制造铝合金的零件质量;另一方面,打印层之间的氧化会导致下一打印层中的合金粉末颗粒团聚,使粉末分布不均匀,严重损害零件的结构完整性和精度㊂因此,抑制氧化膜的形成不仅可以提高增材制造铝合金零件的质量,还可以有效改善其力学性能㊂4增材制造中高强铝合金的研究进展研究表明,增材制造金属零件中普遍存在孔洞缺陷[41]㊂这种缺陷是难以避免的,即使后续进行热处理(如应力释放㊁退火和热等静压等)和表面处理(如机械/电解抛光㊁喷丸处理和振动磨削等)也很难将其完全消除[42-44]㊂然而,增材制造金属零件中的热裂纹是可以消除的㊂4.1优化工艺参数优化工艺参数[28,45-46],是通过调控合金凝固时的冷却速度和温度梯度,控制柱状晶的生长,减少热应力的逐层累积,最终达到消除增材制造中高强铝合金零件中的热裂纹的目的㊂增材制造常规的工艺参数主要包括激光功率㊁扫描速度㊁扫描策略㊁激光移动间距㊁层厚和束斑直径等㊂L M D增材制造工艺参数还包括送粉速率㊂目前研究大多通过调控激光功率和扫描速度这2个工艺参数来抑制热裂纹的形成㊂C a i a z z o等[47]采用L M D制备2024铝合金零件,研究发现在送粉速率为3g/m i n㊁束斑直径为3m m 下,激光功率为2.5k W㊁扫描速度为420m m/m i n是最佳的工艺参数,此时零件的几何稳定性最好㊁表面质量最佳㊂Z h a n g等[13]采取S L M制备A l-C u-M g(成分近2024)铝合金,研究发现通过调控扫描速度和激光间隔距离,将激光能量密度提高至340J/m m3以上可以保证零件致密度并消除其中的热裂纹,其原始态抗拉强度可达402M P a㊂D e n g等[48]采用S L M制备2124铝合金零件,研究发现使用中空结构的栅栏支架可以有效释放热应力,从而抑制热裂纹形成㊂激光功率为150W㊁扫描速度为100m m/s时的零件致密度最高㊁力学性能最佳,原始态抗拉强度可达301M P a㊂O k o等[49]采用S L M制备7075铝合金零件,研究发现适当提高激光功率㊁降低扫描速度和激光移动距离可以有效提高零件致密度和硬度㊂此外,研究人员发现当采用P B F增材制造金属零件时,粉末床温度也可作为工艺参数变量进行调控,从而减弱热应力的累积而抑制热裂纹萌生㊂K e n e v i s i 等[50]采用E B S M制备2024铝合金零件,研究发现在将粉末床温度固定为350ħ的基础上,通过调控扫描速度将输入能量密度控制在43J/m m3时的零件致密度最高㊁力学性能更佳,原始态抗拉强度可达314M P a㊂U d d i n等[45,51]采用S L M制备6061铝合金零件,研究发现将粉末床温度从室温提高至500ħ可以有效抑制热裂纹形成,但其力学性能仍远低于铸造6061铝合金(硬度54H V,屈服强度60M P a,抗拉强度130M P a,33Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月均匀伸长率15%)㊂M a a m o u n 等[52]采用S L M 制备6061铝合金零件,在将粉末床温度固定为200ħ的基础上,研究发现在激光功率为370W ㊁扫描速度为1000m m /s ㊁激光间隔距离为0.19m m (能量密度为47.2J /m m 3)时的热裂纹尺寸最小㊁数量最少,此时抗拉强度达最大值为184M P a ㊂然而,K a u f m a n n 等[12]采用S L M 制备7075铝合金零件时,研究发现将粉末床温度提高至200ħ并不能有效抑制热裂纹的形成㊂4.2 优化合金成分优化合金成分可以通过调控合金中S i ,N i 等元素的含量,提高共晶相的含量,并缩小合金凝固时的温度范围,从而改善合金的流动性并抑制合金的热膨胀;也可以通过调控合金中Z r ,S c 等元素的含量,提高铝合金凝固时的成分过冷度,从而提高凝固形核率而细化晶粒形貌,最终达到抑制热裂纹的萌生㊂M o n t e r o -s i s t i a ga 等[53]和O t a n i 等[54-55]均采取S L M 制备7075铝合金零件,研究发现提高合金中S i元素的含量可以使原粗大柱状晶明显细化,解决了热裂纹问题(图4(a )~(d)[53]),其原始态抗拉强度可达537M P a ,伸长率9.7%㊂L i 等[56]采用S L M 制备7075铝合金零件,研究发现引入S i 和Z r 元素可以促使形成等轴-柱状双晶粒结构(图4(e )),有效抑制热裂纹的产生,在激光功率为300W 时可达到最佳力学性能,原始态屈服强度为397M P a ,抗拉强度为446M P a ,伸长率为6.5%㊂在采用S L M 制备6061铝合金零件方面,M e h t a等[57]通过气雾化制备了6061-0.01Z r 铝合金粉末,C a r l u c c i o 等[58]和Q b a u 等[59]制备了6061-S c 铝合金粉末㊂研究发现,引入Z r 或S c 元素可以细化粗大柱状晶,并在熔池边界处形成等轴晶(图4(f ),(g)[57]),有效抑制热裂纹的萌生和外延生长,显著改善S L M 增材制造6061铝合金的力学性能,其中6061-0.01Z r的原始态抗拉强度为268M P a ,伸长率为26.5%㊂图4 7075(a )和7075-4S i (b )的OM 图[53],7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]和6061-0.01Z r (g)[57]的E B S D 图F i g .4 OMi m a g e s o f 7075(a )a n d 7075-4S i (b )[53],E B S D i m a ge s of 7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]a n d 6061-0.01Z r (g)[57]4.3 添加形核剂添加形核剂引入异质形核位点可以促进柱状晶向等轴晶转变,利用等轴晶粒比柱状晶更易旋转和变形㊁更能承受高热应力的特点而减弱热裂纹倾向性,并削弱成品零件的各向异性㊂目前研究普遍采用在中高强铝合金粉末中引入含Z r ,S c 或T i 元素的形核剂,从而增加形核位点㊂4.3.1 添加含Z r /S c 元素的形核剂M a r t i n 等[29]采用S L M 制备6061和7075铝合金零件时,通过在铝合金粉末中加入Z r H 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶晶粒形貌,基本消除热裂纹(图5(a )~(d ))㊂O p pr e c h t 等[46,60]采取S L M 制备6061铝合金零件,并通过加入2%(体积分数)的Y S Z 粉末(94.3Z r O 2-3.6Y 2O 3-1.7H f O 2-0.4A l 2O 3)形成明显的等轴-柱状双晶粒结构,此时等轴晶区域面积足够大,可以完全消除其中的热裂纹(图5(e ),(f))[46]㊂通过透射电子显微镜和X 射线衍射分析,O p pr e c h t 认为在激光作用下Y S Z 颗粒首先熔化或发生其他化学反应,释放出大量Z r 原子,在随后的凝固过程中以A l 3Z r 第二相的形式在熔池边界处析出,为α-A l 的凝固提供大量形核位点,从而促使在熔池边界处形成等轴晶㊂43Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展图5 S L M 增材制造7075(a )和7075/Z r H 2(b )的S E M 图[29],7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46]的E B S D 图,以及6061-2%Y S Z (f)的OM 图[46]F i g .5 S E Mi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d 7075(a )a n d 7075/Z r H 2(b )[29],E B S D i m a g e s o f 7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46],a n dOMi m a g e of 6061-2%Y S Z (f )[46]4.3.2 添加含T i 元素的形核剂T a n 等[61]采用S L M 制备2024铝合金零件,并通过在2024铝合金粉末中加入纯T i 纳米颗粒,成功将粗大柱状晶转变为细小等轴晶(图6(a )~(d )),并完全消除热裂纹,其T 6态的屈服强度为286M P a ,抗拉强度为432M P a ,伸长率为10%㊂C a r l u c c i o 等[58]采用S L M 制备6061铝合金零件,并通过在6061铝合金粉末中添加T i B o r细化剂,成功将粗大柱状晶完全转变为等轴晶㊂L e i 等[62]和J i a n g 等[63]采用LM D 制备7075铝合金零件,并通过加入4%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶(图6(e ),(f))[62],其平均晶粒尺寸降低至16.8μm ,硬度提高至128H V ㊂C h e n 等[64]采用L M D 制备2024铝合金零件,并通过加入0.5%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶,其平均晶粒尺寸从431μm 降低至114μm ㊂W a n g 等[65]采用S L M 制备A l -3.5C u -1.5M g-1S i (成分近2024)铝合金零件,研究发现加入5%(体积分数)的T i B 2形核剂粉末可以产生明显的晶粒细化效果,其原始态平均晶粒尺寸从23μm 降低至2.5μm ,原始态屈服强度从157M P a 提高至191M P a㊂5 结束语增材制造常规的工艺参数可分为能量相关工艺参数和几何相关工艺参数㊂能量相关工艺参数包括激光功率㊁扫描速度㊁束斑直径等,与金属粉末颗粒的逐点熔化有关,主要保证提供连续的能量输入;而几何相关工艺参数包括激光间隔距离㊁层厚㊁扫描方式等,体现了各扫描轨道和各层的熔融制造存在一定间隔㊂由于增材制造逐点㊁逐道次㊁逐层的制造特点,故在制造过程中存在本征的层间停留时间等非常规工艺参数,这些增材制造工艺参数也会对成品零件的微观结构和力学性能产生显著影响㊂合金成分决定了溶质原子的分布情况和扩散过程,而溶质原子是产生成分过冷的根本原因,因此合金成分对晶粒形貌有着决定性作用㊂在增材制造中高强铝合金时,可以通过调控合金元素含量而优化合金成分,也可以通过添加形核剂而引入异质形核位点,二者都可以用于改善增材制造中高强铝合金的微观组织并提高其力学性能㊂总而言之,工艺参数和合金成分是影响增材制造中高强铝合金的微观结构和力学性能的两个关键性因素,二者相互影响㊁相互依存,均通过控制热作用和溶质再分配作用而影响增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂然而,当前有关增材制造中高强铝合金的研究中,针对工艺参数和合金成分的优化探索较为分裂,在未来,需要将二者相结合㊁相配合,以综合改善增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂53Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图6S L M增材制造2024(a)和2024-T i(b)OM图[61],S L M增材制造2024(c)[61]和2024-T i(d)[61],L M D增材制造7075(e)[62]和7075-4T i B2(f)[62]的E B S D图F i g.6 OMi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(a)a n d2024-T i(b)[61],E B S D i m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(c)[61]a n d2024-T i(d)[61],L M Da d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d7075(e)[62]a n d7075-4T i B2(f)[62]值得注意的是,增材制造铝合金时M g,Z n等元素的挥发会使合金成分发生波动,在通过调控合金元素含量或添加形核剂而优化晶粒形貌的研究中,合金成分更是发生明显改变㊂此时,适用于传统铝合金的热处理方法已不再适用于增材制造铝合金,因此,未来需要进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂参考文献[1] D A V I S JR.A l u m i n u ma n d a l u m i n u ma l l o y s[M].R u s s e l l,U S A:A S Mi n t e r n a t i o n a l,1993:352-356.[2] N A K A IM,E T O T.N e wa s p e c t o f d e v e l o p m e n t o f h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y s f o r a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2000,285(1/2):62-68.[3]谢水生,刘静安,徐骏,等.简明铝合金加工手册[M].北京:冶金工业出版社,2016:36-40.X I ESS,L I UJA,X UJ,e t a l.C o n c i s em a n u a l f o r a l u m i n u ma l l o y p r o c e s s i n g[M].B e i j i n g:M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s,2016:36-40.[4] M C Q U E E N HJ,S P I G A R E L L I S,K A S S N E R M E,e t a l.H o t d e-f o r m a t i o na n d p r o c e s s i ng o fa l u m i n u m a l l o y s[M].B o c aR a t o n,F l o r i d a,U S A:C R CP r e s s,2011:25-52.[5] S A C H SE,C I MA M,W I L L I AM S P,e ta l.T h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g:r a p i d t o o l i n g a n d p r o t o t y p e s d i r e c t l y f r o maC A D m o d e l [J].J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g f o r I n d u s t r y,1992,114(4):481-488.[6] B O E I R A A P,F E R R E I R AIL,G A R C I A A.A l l o y c o m p o s i t i o na n dm e t a l/m o l dh e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y a f f e c t i n g i n v e r s e s e g r e g a-t i o na n d p o r o s i t y o f a s-c a s tA l-C u a l l o y s[J].M a t e r i a l s&D e s i g n, 2009,30(6):2090-2098.[7] B R A N D LE,H E C K E N B E R G E RU,H O L Z I N G E RV,e t a l.A d d i-t i v em a n u f a c t u r e dA l S i10M g s a m p l e s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g (S L M):m i c r o s t r u c t u r e,h i g hc y c l e f a t i g u e,a n df r a c t u r eb e h a v i o r [J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2012,34:159-169.[8] D E B R O Y T,W E IH,Z U B A C KJ,e ta l.A d d i t i v em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c c o m p o n e n t s-p r o c e s s,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s[J].P r o-g r e s s i n M a t e r i a l s S c i e n c e,2018,92:112-224.[9] A B O U L K H A I R N T,S I M O N E L L I M,P A R R Y L,e ta l.3Dp r i n t i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s:a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].P r o g r e s s i n M a t e r i a l sS c i-e n c e,2019,106:100578.[10] G U D,S H IX,P O P R AW E R,e ta l.M a t e r i a l-s t r u c t u r e-p e r-f o r m a n c e i n t eg r a t e d l a s e r-m e t a l a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g[J].S c i-e n c e,2021,372(6545):932.[11] Z H O U L,HU Y N H T,P A R KS,e t a l.L a s e r p o w d e rb e d f u s i o no fA l-10w t%C e a l l o y s:m i c r o s t r u c t u r e a n d t e n s i l e p r o p e r t y[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,2020,55(29):14611-14625.[12] K A U F MA N N N,I M R A N M,W I S C H E R O P PT M,e t a l.I n f l u-e n c eof p r o c e s s p a r a m e t e r s o n t h e q u a l i t y o f a l u m i n i u ma l l o y E NAW7075u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g(S L M)[J].P h y s i c sP r o-c ed i a,2016,83:918-926.[13] Z H A N G H,Z HU H,Q IT,e t a l.S e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g o f h i g hs t r e n g t h A l-C u-M g a l l o y s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r ea n d m e-c h a n i c a l p r o p e r t i e s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2016,656:47-54.[14] H O O P E RPA.M e l t p o o l t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g r a t e s i n l a s e r63Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展p o w d e r b e d f u s i o n[J].A d d i t i v e M a n u f a c t u r i n g,2018,22:548-559.[15] O L A K A NM IE O,C O C H R A N E R,D A L G A R N O K.Ar e v i e wo ns e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g/m e l t i n g(S L S/S L M)o fa l u m i n i u ma l l o yp o w d e r s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r e,a n d p r o p e r t i e s[J].P r o g r e s s i n M a t e r i a l sS c i e n c e,2015,74:401-477. [16] B E R M I N G H AM M,S T J O H N D,E A S T O N M,e t a l.R e v e a l i n gt h em e c h a n i s m so f g r a i nn u c l e a t i o na n df o r m a t i o nd u r i n g a d d i-t i v em a n u f a c t u r i n g[J].J OM,2020,2(3):1065-1073.[17] Z H O U L,M E H T A A,S C HU L ZE,e t a l.M i c r o s t r u c t u r e,p r e-c i p i t a t e s a n dh a rd ne s s of s e l e c t i v e l y l a s e rm e l t e dA l S i10Mg a l l o yb e f o r e a n d a f t e r h e a t t r e a t m e n t[J].M a t e r i a l sC h a r ac t e r i z a t i o n,2018,143:5-17.[18] Z A V A L A-A R R E D O N D O M,L O N D O N T,A L L E N M,e ta l.U s e o f p o w e r f a c t o r a n d s p e c i f i c p o i n t e n e r g y a s d e s i g n p a r a m e-t e r s i n l a s e r p o w d e r-b e d-f u s i o n(L-P B F)o fA l S i10M g a l l o y[J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2019,182:108018.[19] P R A S H A N T H K,S C U D I N O S,E C K E R TJ.D e f i n i n g t h e t e n-s i l e p r o p e r t i e s o fA l-12S i p a r t s p r o d u c e db y s e l e c t i v e l a s e rm e l-t i n g[J].A c t aM a t e r i a l i a,2017,126:25-35.[20] L IX,WA N G X,S A U N D E R S M,e t a l.As e l e c t i v e l a s e rm e l t i n ga n d s o l u t i o nh e a t t r e a t m e n t r e f i n e dA l-12S i a l l o y w i t ha c o n t r o-l l a b l e u l t r a f i n e e u t e c t i cm i c r o s t r u c t u r e a n d25%t e n s i l ed u c t i l i t y[J].A c t aM a t e r i a l i a,2015,95:74-82.[21] H Y E R H,Z H O UL,M E H T A A,e t a l.E f f e c t s o f a l l o y c o m p o s i-t i o n a n d s o l i d-s t a t e d i f f u s i o n k i n e t i c s o n p o w d e r b e df u s i o nc r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t y[J].J o u r n a lo fP h a s e E q u i l i b r i a D i f f u-s i o n,2021,42(1):5-13.[22] C H O US,T R A S K M,D A N O V I T C HJ,e t a l.P u l s e d l a s e r p o w-d e rb e df u s i o na d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g o f A356[J].M a t e r i a l sC h a r a c t e r i z a t i o n,2018,143:27-33.[23] K I MU R A T,N A K AM O T O T.M i c r o s t r u c t u r e s a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fA356(A l S i7M g0.3)a l u m i n u ma l l o y f a b r i c a t e db ys e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2016,89:1294-1301.[24] D E N GJ,C H E N C,L I U X,e t a l.Ah i g h-s t r e n g t hh e a t-r e s i s t a n tA l-5.7N i e u t e c t i c a l l o y w i t h s p h e r i c a lA l3N i n a n o-p a r t i c l e s b y s e-l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].S c r i p t aM a t e r i a l i a,2021,203:114034.[25] HU R L YJJ.T h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e so f g a s e o u s C F4a n dC2F6f r o ms p e e d-o f-s o u n dm e a s u r e m e n t s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r-n a l o fT h e r m o p h y s i c s,1999,20(2):455-584.[26] Z HA N GJ,S O N G B,W E IQ,e ta l.Ar e v i e wo f s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g o f a l u m i n u ma l l o y s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r e,p r o p e r-t y a n dd e v e l o p i n g t r e n d s[J].J o u r n a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e&T e c h n o l o g y,2019,35(2):270-284.[27] A HU J AB,K A R G M,N A G U L I N K Y,e ta l.F a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fh i g hs t r e n g t h A l-C ua l l o y s p r o c e s s e du s i n gl a s e r b e a m m e l t i n g i n m e t a l p o w d e rb e d[J].P h y s i c sP r o c e d i a, 2014,56:135-146.[28] K O US.As i m p l e i n d e x f o r p r e d i c t i n g t h e s u s c e p t i b i l i t y t o s o l i d i-f i c a t i o n c r a c k i n g[J].W e l d i ng J o u r n a l,2015,94(12):374-388.[29] MA R T I NJH,Y A H A T ABD,HU N D L E YJM,e t a l.3D p r i n-t i n g o fh i g h-s t r e n g t ha l u m i n i u m a l l o y s[J].N a t u r e,2017,549(7672):365-369.[30] R A P P A Z M,D R E Z E TJM,G R E MA U D M.An e wh o t-t e a r i n gc r i t e r i o n[J].M e t a l l u r g i c a l a nd M a te r i a l sT r a n s a c t i o n sA,1999,30(2):449-455.[31] C O N I G L I O N,C R O S SC E.I n i t i a t i o na n d g r o w t h m e c h a n i s m sf o rw e l ds o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n g[J].I n t e r n a t i o n a lM a t e r i a l sR e-v i e w s,2013,58(7):375-397.[32] S T O C K E R TF,Q I N D,P L A T T N E R G K,e t a l.S u m m a r y f o rp o l i c y m a k e r s[M].C a m b r i d g e:C a m b r i d g eU n i v e r s i t y P r e s s,2014: 1-30.[33] L I U X,L I U J,Y A N G K,e ta l.S t u d y o nt h ed e l i q u e s c e n c eo fA l S b/S bs t a c k s d e p o s i t e db yp u l s e d l a s e rd e p o s i t i o n[J].M a t e-r i a l s S c i e n c e i nS e m i c o n d u c t o rP r o c e s s i n g,2018,81:102-107.[34] X U X,Z H A O Y,H O U H,e ta l.C o n c e n t r a t i o na n df l u i df l o we f f e c t s o nk i n e t i c s,d e n d r i t er e m e l t i n g a n ds t r e s sa c c u m u l a t i o nu p o n r a p i ds o l i d i f i c a t i o no f d e e p l y u n d e r c o o l e da l l o y s[J].J o u r-n a l o fA l l o y s a n dC o m p o u n d s,2018,744:740-749. [35] S O N AWA N E A,R O U X G,B L A N D I N J-J,e t a l.C r a c k i n gm e c h a n i s ma n d i t s s e n s i t i v i t y t o p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s d u r i n g l a-s e r p o w d e r b e d f u s i o no f a s t r u c t u r a l a l u m i n u ma l l o y[J].M a t e-r i a l i a,2021,15:100976.[36] L IJ,C H E N G X,L I U D,e ta l.P h a s ee v o l u t i o no fah e a t-t r e a-t a b l ea l u m i n u m a l l o y d u r i n g l a s e ra d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g[J].M a t e r i a l sL e t t e r s,2018,214:56-59.[37] S U NS,Z H E N GL,P E N G H,e t a l.M i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i-c a l p r o p e r t i e so fA l-F e-V-S i a l u m i n u m a l l o yp r od u ce db y e l e c-t r o nb e a m m e l t i n g[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A, 2016,659:207-214.[38] C O N GB,D I N G J,W I L L I AM SS.E f f e c to fa r c m o d ei nc o l dm e t a l t r a n s f e r p r o c e s s o n p o r o s i t y o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e dA l-6.3%C ua l l o y[J].T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fA d v a n c e d M a-n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2015,76(9):1593-1606.[39] K E M P E N K,T H I J SL,V A N HUM B E E C KJ,e t a l.P r o c e s s i n gA l S i10M g b y s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g:p a r a m e t e r o p t i m i s a t i o n a n dm a t e r i a l c h a r a c t e r i s a t i o n[J].M a t e r i a l s S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y, 2015,31(8):917-923.[40] D I N G Y,MUÑI Z-L E RMAJA,T R A S K M,e ta l.M i c r o s t r u c-t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t y c o n s i d e r a t i o n s i n a d d i t i v em a n u f a c-t u r i n g o f a l u m i n u ma l l o y s[J].M R SB u l l e t i n,2016,41(10):745-751.[41] Y A S AE,K R U T HJ-P,D E C K E R SJ.M a n u f a c t u r i n g b y c o m b i-n i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g a n ds e l e c t i v e l a s e re r o s i o n/l a s e r r e-m e l t i n g[J].C I R PA n n a l s,2011,60(1):263-266. [42] U Z A N N E,R AMA T IS,S HN E C K R,e ta l.O nt h ee f f e c to fs h o t-p e e n i n g o n f a t i g u e r e s i s t a n c e o fA l S i10M g s p e c i m e n s f a b r i-c a t ed b y a d d i t i ve m a n uf a c t u r i ng u s i n g s e l e c t i v el a s e r m e l t i n g(AM-S L M)[J].A d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g,2018,21:458-464.[43] Z H A N G C,Z HU H,L I A O H,e t a l.E f f e c t o f h e a t t r e a t m e n t s o nf a t ig u e p r o p e r t y o f s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g A l S i10M g[J].I n t e r-n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e,2018,116:513-522. [44] T AMMA S-W I L L I AM SS,W I T H E R SPJ,T O D DI,e ta l.P o-r o s i t y r e g r o w t h d u r i n g h e a t t r e a t m e n t o f h o t i s o s t a t i c a l l yp r e s s e d a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d t i t a n i u mc o m p o n e n t s[J].S c r i p-73Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
高强韧铸造铝合金材料
高强韧铸造铝合金材料摘要：随着我国重工业的不断发展，铸造铝合金因其优异的性能被广泛应用，同时对铸造铝合金的强度和韧度也提出了更高的要求，铸造铝合金迎来了新的发展时代。
本文主要研究高强韧铸造铝合金材料，简要阐述高强度铝合金的研究现状，分析几种铝合金的特点和使用情况，并针对铸造铝合金中存在的问题提出了解决办法和改善其韧度的途径，有助于推动实现铸造铝合金行业的稳定发展。
关键词：重工业；铸造铝合金；强度；韧度；稳定发展前言：铸造铝合金价格低廉、组织各向同性、易于生产复杂的零部件，同时由于铸造铝合金的轻质结构特性，硬度高，散热性强，被广泛使用于汽车、船舶、航天等领域，可以简化形成工艺、节约加工成本，对促进我国重工业领域发展有着重要的意义。
一、高强韧铸造铝合金的研究现状（一）Al-Si系合金Al-Si铝合金具有质量轻、铸造性能好、收缩率小、热敏感度低、加工性能优良、价格低等特点，应用比较广泛的Al-Si合金为A357，该种合金是50年代末美国科学家试验出来的。
现在工程结构中铝合金铸件越来越多，且性能要求越来越高，包括耐腐蚀性、耐高温和高强度等特性。
研发新型高强度铸造铝合金成为近年来的研究热点，此时Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进入人们的眼帘，该合金具有优异的铸造性，经过热处理固化后可以获得良好的力学性能。
（二）Al-Cu系合金Al-Cu系铸造铝合金具备高强度、良好的延展和塑形性能、另外还具有优异的高温、易切削性能。
法国20世纪试验成功的A-U5GT合金是在Al-Cu系铸造铝合金基础上添加了Mg和Ti元素，不仅具备Al-Cu系铸造铝合金的优异性能，还有优良的综合力学性能。
同样我国也试验出了高强高韧度铸造铝合金，取得了瞩目的成就。
我国于20世纪70年代末试验出ZL205A合金，该种合金在常态下就有具备良好的抗压和延展性能，是目前世界上强度最高的铸造铝合金，同时具有非常优越的塑形能力、韧性、抗应力腐蚀性和易于焊接等特点，因此该种合金被广泛应用于航空航天领域，用于制造各种零部件，使用效果良好。
高强度铝合金的研究现状及发展趋势
高强度铝合金的研究现状及发展趋势作者：沈国柱来源：《科技经济市场》2016年第03期摘要：高强度铝合金有着密度低、强度高、焊接性能好的特点，在我国工业领域中得到了广泛的应用，有效地推动了我国社会经济的发展。
本文就高强度铝合金的研究现状及发展趋势进行了相关的分析。
关键词：高强度铝合金；研究；发展趋势0 引言高强度铝合金作是重要的轻质高强结构材料，它抗拉强度、韧性以及耐腐性都较高，在我国当前社会发展过程中有着较为广阔的应用前景。
近年来，高强度铝合金被广泛地应用于航空工业以及民用工业等领域，已成为航空工业的主要结构材料之一，有效地推动了我国航空事业的发展。
高强度铝合金作为一种高性能的材料，为了促进这种高强度铝合金的发展，就必须加大研究，研发出性能更好的铝合金材料，进而为我国现代化事业的发展提供保障。
1 高强度铝合金的介绍高强度铝合金是将一些微量稀土原料加入到高品质的原铝中，以此来提高原铝的强度，如抗拉强度、导电性、延展性、耐腐蚀性等。
如将硅、锶等少量元素按特定比例加入铝中就是A356铝合金，专用于汽车铝轮毂的铸造。
将其它特定的稀土加入铝中，可产出用于铸造铝导线、飞船、飞机、某些武器等的零部件的特种铝合金。
高强度铝合金具有密度小、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特点，在我国当前社会发展过程中有着不可替代的作用，尤其是我国航天事业，已成为我国航空工业的主要结构材料之一。
2 我国高强度铝合金发展现状就我现阶段的发展水平来看，受科技以及经济水平的制约，高强度铝合金的研究开发起步比较晚，而随着我国科技以及经济水平的提高，我国对高强度铝合金的研究也越来越深入，并取得了一定的成绩。
在20世纪80年代，在我国东北轻合金加工厂以及北京航空材料研究所研制出了M-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金，使得我国高强度铝合金的研究进入了一个新的阶段，并逐渐转入到实用化阶段，如：7075、7175以及7050等系类产品已经被应用于各种航空器机构件的制造。
7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势
7xxx 系铝合金的研究现状及发展趋势3陈小明,宋仁国,李 杰(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州310014)摘要 评述了国内外7xxx 系铝合金的研究及工业应用概况,讨论了热处理工艺对7xxx 系铝合金微观组织与性能的影响,介绍了相关的表征技术。
针对目前7xxx 系铝合金在研究以及产业化应用中存在的问题,指出实现7xxx 系铝合金的高强、高韧以及低应力腐蚀(SCC )敏感性将成为今后研究和开发工作的主要方向,并提出了具体的建议。
关键词 7xxx 系铝合金 热处理工艺 微观组织 表征技术中图分类号:T G146.2 文献标识码:ACurrent R esearch Status and Development T rends of 7xxx Series Aluminum AlloysC H EN Xiaoming ,SON G Renguo ,L I Jie(Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation of Ministry of Education ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310014)Abstract The progress of the research and application of 7xxx series aluminum alloys is reviewed.The effect of the heat treatment technology on the microstructure and properties of 7xxx series aluminum alloys are discussed ,and the corresponding characterization technique is introduced.It will be the main research aspect to realize the high 2strength ,the high 2toughness and low SCC susceptibility of 7xxx series aluminum alloys.Finally ,some specific sug 2gestions for the future research and development of 7xxx series aluminum alloys are proposed ,based on the existing problems in the present research and application.K ey w ords 7xxx series aluminum alloys ,heat treatment technology ,microstructure ,characterization tech 2nique 3国家自然科学基金资助项目(50771093) 陈小明:男,1983年生,硕士研究生,主要从事7xxx 系铝合金研究 E 2mail :xiaoming840@ 宋仁国:男,1965年生,博士,教授,主要从事材料腐蚀与防护研究 E 2mail :songrg @0 引言7xxx 系铝合金包括Al 2Zn 2Mg 系和Al 2Zn 2Mg 2Cu 系合金[1],都具有密度低、加工性能好及焊接性能优良等优点。
7075铝合金的研究现状
7075铝合金的研究现状0 前言铝及其合金的密度低，强度高，耐腐蚀，耐低温，是一种重要的结构材料[1]。
7075铝合金作为一种典型的Al-Zn-Mg-Cu系强化型铝合金，具有比重小、强度高、加工性能好等特点，被广泛应用于航空航天等领域[2]。
该铝合金含有1%～8%的Zn元素和少量的Mg，Cr 或Cu元素，为可热处理强化铝合金[3]。
它通过淬火时效后析出大量弥散强化相使合金得到强化[4]，合金性能良好。
7075铝合金在国外的发展可追溯到20世纪40年代，1943年，美国成功研制出7075铝合金，成为第一个可以用于实际的7×××系铝合金[5]。
二战期间，国外已经研制出高强7075-T6合金，并在20世纪60年代之前广泛应用在民用和军用飞机上，接着研制出了7075-T73合金，以牺牲15%的静强度来提高抗应力腐蚀能力，随后又开发了T76状态合金，在牺牲较小强度的条件下可获得一定的抗腐蚀性能。
随着科技的进步，各种状态的7075铝合金逐渐被开发出来。
文中总结了国内外7075铝合金在生产工艺、表面处理工艺、焊接工艺和热处理工艺(特别是焊后热处理)等几个方面的研究现状，指出目前仍需研究的内容与方向，为同行进一步进行7075的研究设计开发提供参考。
1 7075铝合金的生产工艺高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金初期主要采用传统铸造，熔炼方式有真空熔炼、电阻炉熔炼及其它熔炼方法，用轧制、锻造或挤压的方式进行成形。
此方法简单，但存在晶粒粗大、偏析严重、组织疏松、固溶度低等问题，限制了性能的进一步提高。
在我国经济建设取得重大成就、发展质量和效益不断提升的新形势下，水利事业发展取得了很大进步，逐步进入保障国民经济发展、推动节水供水重大水利工程建设的新时期。
党的十九大报告对“贯彻新发展理念，建设现代化经济体系”进行部署，明确提出“质量第一”“质量强国”理念。
《中共中央国务院关于开展质量提升行动的指导意见》中提出，要提升建设工程质量水平，推进全面质量管理，加强全面质量监管[1]。
超高强铝合金研究进展与发展趋势
引用格式：邢清源，臧金鑫，陈军洲，等. 超高强铝合金研究进展与发展趋势[J]. 航空材料学报，2024，44(2)：60-71.XING Qingyuan，ZANG Jinxin，CHEN Junzhou，et al. Research progress and development tendency of ultra-high strength aluminum alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials，2024，44(2)：60-71.超高强铝合金研究进展与发展趋势邢清源1,2*, 臧金鑫1,2, 陈军洲1,2, 杨守杰1,2, 戴圣龙1,2*（1．中国航发北京航空材料研究院 铝合金研究所，北京 100095；2．北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心，北京100095）摘要：超高强铝合金具有密度低、比强度高等特点，广泛应用于航空、航天、核工业等领域。
合金的极限强度已从第四代铝合金的600 MPa级，逐步发展到650～700 MPa级、750 MPa级，甚至800 MPa级及以上第五代铝合金。
本文首先对超高强铝合金的发展历程和国内外发展现状进行概述；随后，从成分设计与优化、熔铸与均匀化技术、热变形技术、热处理技术、计算机辅助模拟计算共五个方面对近些年的研究进展和所遇到的问题进行了总结和讨论；最后，结合未来装备的发展需求和国内的技术现状，指出“深入研究基础理论，解决综合性能匹配等问题以及在特定应用场景下专用材料的推广应用”是超高强铝合金的发展趋势和重要方向。
关键词：超高强铝合金；Al-Zn-Mg-Cu系合金；熔铸法；高合金化doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000171中图分类号：TG146.21 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2024)02-0060-12Research progress and development tendency of ultra-highstrength aluminum alloysXING Qingyuan1,2*, ZANG Jinxin1,2, CHEN Junzhou1,2, YANG Shoujie1,2, DAI Shenglong1,2*（1. Aluminum Alloy Institute，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2. Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications，Beijing 100095，China）Abstract: Ultra-high strength aluminum alloy has achieved extensive application in the nuclear，aerospace，and aviation industries because of its high specific strength and low density. The fifth generation of ultra-high strength aluminum alloy has been produced，and in comparison to the fourth generation’s 600 MPa level，its ultimate strength has been consistently redefined and increased from 650-700 MPa to 750 MPa or even 800 MPa. This paper reviews the history of the research on aluminum alloys with ultra-high strengths and introduces the current state of development both domestically and internationally. The key issues and recent research development are further explored，including computer simulation，thermal deformation，heat treatment，homogenization，melting，and casting，as well as composition design. Finally，combined with the development needs of future equipment and domestic technology status，it is pointed out that in-depth study of basic theory to solve the problem of comprehensive performance matching，the promotion and application of special materials in specific application scenarios are the development trend and important direction of ultra-high strength aluminum alloy.Key words: ultra-high aluminum alloy；Al-Zn-Mg-Cu alloy；ingot metallurgy；high alloying超高强铝合金属于7×××系（Al-Zn-Mg-Cu系）合金，是该系列合金中的一个重要分支，具有低密度、高比强度等特点，被广泛用于航空、航天、核工业、兵器等领域，按照航空铝合金代次的划分，超高强铝合金已发展至第五代合金。
高强度铝合金新材料及其成型技术的研究与应用
高强度铝合金新材料及其成型技术的研究与应用高强度铝合金新材料及其成型技术的研究与应用引言：高强度铝合金是一种具有重要应用价值的材料，以其优异的力学性能、良好的耐蚀性和良好的可加工性在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域得到广泛应用。
然而，高强度铝合金的研究与应用仍然面临一些挑战，主要包括材料的力学性能、成型技术和加工工艺等方面。
一、高强度铝合金的研究：1.1 物理性能：高强度铝合金具有较低的密度和高的强度，这使得它成为一种理想的结构材料。
根据需求，高强度铝合金可以具备强度超过钢铁的特点，使其在航空航天和汽车工业中具有广泛的应用前景。
1.2 耐蚀性：高强度铝合金具有良好的耐蚀性，这使其能够在恶劣的环境条件下使用，例如海洋环境和高温高湿度环境。
1.3 可加工性：高强度铝合金具有良好的可加工性，可通过挤压、锻造、压铸等方法制备出具有复杂形状的零部件。
二、高强度铝合金的成型技术研究：2.1 挤压：挤压是高强度铝合金成型的一种重要方法，通过将铝合金坯料放入挤压机中，通过加热和压力使其通过模具形成所需的形状。
挤压成型具有高生产效率和较高的成型精度。
2.2 锻造：锻造是一种通过将高强度铝合金坯料放入锻造机中，通过加热和压力使其在模具中形成所需形状的成型方法。
锻造成型具有较高的成型精度和较好的力学性能。
2.3 压铸：压铸是一种通过将高强度铝合金熔融后注入模具中，在模具中冷却并形成所需的形状的成型方法。
压铸成型具有高生产效率和较好的成型精度，适用于大批量生产。
2.4 成型模具设计与制造：成型模具是高强度铝合金成型过程中的关键装备，其设计与制造对成型质量和成型效率具有重要影响。
成型模具的设计应考虑到铝合金的物理性能、成型工艺和产品要求等因素，以确保成型过程的稳定性和一致性。
三、高强度铝合金的应用：3.1 航空航天领域：高强度铝合金具有低密度和高强度的特点，因此，它在航空航天器制造中得到广泛应用。
例如，它可以用于制造飞机的机身、机翼和起落架等部件，以提高飞机的整体性能。
高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
能好 , 两者 SCC 性
777 用作部分结构件
能相似
抗压和抗拉强度比 T7751 状态厚板 被波音 777 飞机选为
7055
7150 高 10 % , 断裂 韧 性 、耐 蚀 性 与
和挤压件
上翼结构材料
7150 相似
2 铝合金的微观组织结构
高强高韧铝合金的微观组织决定了其合金的宏观 性能 (抗拉强度 、断裂韧性 、抗腐蚀性能等) 。有关研 究[9～11]表明 :高强铝合金的基体沉淀相 (MPt) 、晶界沉 淀相 ( GBP) 和晶界无析出带宽度 ( PFZ) 的形状与特性 决定了合金的宏观性能 。
国内超高强铝合金的研究开发起步较晚 。20 世 纪 80 年代初 ,东北轻合金加工厂和北京航空材料研究 所开始研制 Al2Zn2Mg2Cu 系高强高韧铝合金 。目前 , 在普通 7XXX 系铝合金的生产和应用方面已进入到实 用化阶段 ,产品主要包括 7075 、7175 、和 7050 等 ,用于 各种航空器结构件的制造 。20 世纪 90 年代中期 ,北 京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了 7A55 超高强铝合金 ,近来又开发出强度更高的 7A60 合金 。“九五”期间 ,在国家攻关和 863 高技术项目的 支持下 ,北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂 开展了仿制俄罗斯 B96 Ц合金成分的超高强 7XXX 系 铝合金以及具有更高锌含量的喷射成形超高强铝合金 的开发工作 ,他们分别采用喷射沉积和半连续铸造工 艺 ,制成了各种尺寸的 (模) 锻件 、挤压棒材及无缝挤压 管材等 ,合金的屈服强度已分别达 750～780 MPa 和 630～650 MPa 、延伸率则分别达到 8 %～10 %和 4 %～ 7 % ,其中北京有色研究总院用喷射成型技术研制的 7000 系合金 (Al28. 6Zn22. 6Mg22. 2Cu) ,其屈服强度为 710 MPa ,抗拉强度为 740 MPa ,δ= 10 %[8] 。
高性能铝合金行业发展趋势预测与发展战略研究报告
高性能铝合金行业将与新能源汽车产业链进行更紧密的整合，形成 协同发展的格局。
航空航天领域对高性能铝合金的需求预测
1 2 3
航空航天领域的高性能要求
航空航天领域对材料性能要求极高，高性能铝合 金作为一种具有高强度、高耐腐蚀性的材料，将 在该领域发挥重要作用。
市场需求持续增长
随着全球航空航天业的不断发展，对高性能铝合 金的需求将持续增长，为行业发展提供重要支撑 。
06 高性能铝合金行 业案例分析
国际高性能铝合金企业案例分析
Alcoa
美国铝业公司是全球最大的铝业公司，其高性能铝合金产品 广泛应用于航空、汽车、建筑和电子产品等领域。该公司通 过持续研发和技术创新，不断提高其高性能铝合金的性能和 品质。
Novelis
诺维利斯是全球领先的铝轧制公司，其高性能铝合金产品在 汽车、包装和电子产品等领域有广泛应用。该公司注重环保 和可持续发展，采用先进的生产技术和环保生产方式。
，拥有多项自主知识产权和核心技术。
THANKS
感谢观看
为满足环保要求，再生铝的需求将逐 渐增加，成为高性能铝合金行业的重 要发展方向。
新材料技术发展对高性能铝合金行业的影响
新材料替代
随着新材料技术的不断发展，高 性能铝合金可能会被其他性能更 优的新型材料所替代，如钛合金
、高分子材料等。
生产工艺改进
新材料技术的应用将推动高性能铝 合金生产工艺的改进和优化，提高 产品质量和降低成本。
高性能铝合金的应用领域
总结词
高性能铝合金广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子等领域。
详细描述
在航空航天领域，高性能铝合金被用于制造飞机机身、起落架、发动机部件等；在汽车领域，高性能铝合金主要 用于车身结构件、悬挂系统、发动机部件等；在建筑领域，高性能铝合金用于制造高层建筑的承重结构件和装饰 材料；在电子领域，高性能铝合金用于制造电子产品外壳和散热器等。
7055铝合金材料性能
一,AA 7055铝合金材料性能摘要7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金，具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力腐蚀性，具有广泛的应用前景。
材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用，对材料在不同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结构设计的基础。
目前，国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏，同时，目前也没有一个被广泛接受的本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。
另外，作为目前研究材料动态力学行为最为常用的实验设备——分离式霍普金森压杆（SHPB）和分离式霍普金森拉杆（SHTB），在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准，有待进一步的研究和发展，譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题，以及SHTB实验中的试样连接方式等。
基于以上背景，本文首先针对SHPB和SHTB实验方法开展了研究和改进工作；然后，较为系统地研究了美国铝业公司生产的AA7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及行为，结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究，根据实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正，并对本构模型的适用性进行了检验和讨论；最后，为评估AA7055铝合金的高速撞击特性，对AA7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对比分析。
本文主要的研究内容如下：第一，基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式，以预估公式为核心，提出了一种可方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法，并通过数值仿真与实验对该方法进行了演示和验证。
第二，设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式，并通过数值仿真及实验测试证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。
第三，利用Gleeble热模拟试验机对AA7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测试，温度范围为300~750K，加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHPB 及改进试样连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究，应变率测试范围为：动态压缩时900~5000s-1，动态拉伸时500~1600s-1；获得了AA7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。
铝合金材料发展现状
铝合金材料发展现状、趋势及展望我国是铝合金材料生产和消费大国，铝合金材料在交通、海洋、空天等领域具有广泛应用，尤其在汽车、飞机、航天、舰船等领域的一些轻量化关键部件上，铝合金材料具有不可替代性。
而国内绝大部分铝合金材料属于中低端产品，生产能耗高、效率低、成本高、附加值低，恶性竞争的情况难以得到改变，且部分高端产品仍需从国外高价购买，这无疑阻碍了我国制造业升级的步伐。
我国虽在通信、高铁等领域具有显著优势，但随着国际形势错综复杂地变化，关键材料领域被卡脖子的风险日渐突出，自主创新迫在眉睫。
在新的产业形势下, 发展高端铝合金材料绿色化、智能化的制备与加工技术对支撐我国关键制造业的可持续优质发展具有重大战略意义。
本文主要介绍了国内外铝合金材料发展及研究现状，分析常用铝合金系的市场需求，总结目前我国在此领域遇到的问题以及未来发展目标，并给出相应的发展对策，以促进相关产业的升级和进步。
二、国内外铝合金材料发展及研究现状（一）国外铝合金材料发展及研究现状总体来看，工业发达国家铝合金材料开发与应用的历史时间长, 基础好，研究积累雄厚，铝合金材料体系系统性强，产业技术水平较高。
尤其是美国、俄罗斯等工业强国较早开展了铝合金材料的研发工作，申请了大量的铝合金牌号，广泛应用于汽车、船舶、空天等领域，现己形成了一定程度的专利霸权。
在汽车领域，铝合金是实现汽车轻量化的重要材料。
在2XXX系铝合金方而，美国的雷伊路菲公司和法国的西贝内公司相继开发了2036-T4. AU2G-T4铝合金板材，用于汽车车身。
在5XXX系铝合金方面，美国铝业公司(ALCOA)开发了X5085-0. 5182-0等铝合金, 用于车身内板。
在6XXX 系铝合金方面，美国研制了6009和6010 车身铝合金板。
挪威海德鲁铝业公司在2018年开发了HHS360合金，抗拉强度比6082合金提高了10. 8%,达到360 N/mm2 ,伸长率达到10%；之后，该公司又在此基础上开发了HHS400合金，抗压强度达到400 N/mm2 ,屈服强度370 N/mm2 ,伸长率为8%,主要应用于汽车制造。
高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术
高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术摘要：国内外高强铝合金发展的理论基础及其材料的制备加工技术.针对大规格高性能铝合金材料的成分设计、熔炼、均匀化、固溶、淬火、预拉伸以及时效各工序的相关技术的研究热点和发展进行了介绍和讨论.并对我国该类铝合金及其发展和应用提出了建议.关键词：高强铝合金；铝合金结构材料；铝合金设计；铝加工高强铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域的主要结构材料.现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求.一、超高强铝合金的研究现状目前，对超高强铝合金的研究主要集中在两个方面：一方面是以合金化的手段开发新型合金。
即通过研究微量元素在铝合金中的作用，优化微量元素的添加量和添加工艺研制高性能铝合金，其典型代表是Al-Li合金；另一方面是以工艺手段对现有的铝合金进行改良，理论和实践都证明这种改良是有效的。
1.铝合全熔体净化技术。
研究事实表明：铝熔体的净化对于提高铝合金的性能，特别是断裂韧性十分有利。
铝熔体的净化可分为炉内净化和炉外净化两种方式。
炉内净化根据其净化机理可分为吸附净化和非吸附净化（真空处理）两大类。
炉外净化可分为在线除气、在线过滤和联合在线处理等方式。
目前，经先进的净化处理后，熔体中的氢含量可低于0。
1ml 100gAl，氧含量低于6ppm，钠含量低于2ppm，非金属夹杂物<5μm。
2.铝合全的强韧化技术。
从理论上说，用工艺手段提高金属的强度有两条途径，第一条是完全消除金属内部的位错和其它缺陷，使它的强度接近其理论强度（己经证明完整晶体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上）。
但目前这样做还相当困难。
另一条就是在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动（己经证明金属的塑性变形是位错的运动造成的）提高金属的强度。
例如采用固溶强化、细晶强化、第二相强化（沉淀强化、弥散强化）和应变强化等。
值得注意的是有效地综合利用这些强化手段，也可以从另一方面接近于金属的理论强度，例如在铁和钛中可以达到理论强度的38%。
低温铝合金国内外研究及应用情况
低温铝合金国内外研究及应用情况低温设备在航空、航天、超导技术以及民用工业中得到日益广泛的应用, 主要用于航天飞机、火箭动力装置的液氢(20K)、液氧(90K)储箱，以及低温超导磁体的结构支撑件等。
确保这些设备的安全运行至关重要。
其中低温金属材料的选取和设计是重要的环节之一。
低温金属材料机械性能与常温状态下相比有较大的差别,某些金属材料延性和韧度会急剧降低, 即发生低温冷脆转变。
脆性断裂经常是突然发生,迅速扩展,会造成灾难性重大事故。
缺乏专门的低温金属材料知识和性能数据,将会造成选材和设计不当,在低温装备运行中将引发失效事故。
铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密封性好、感应放射能衰减快等特性, 因此越来越广泛的应用于低温领域。
近几十年来,国内外已经积累了大量的铝合金低温机械性能方面的研究。
一、低温铝合金的定义及分类适合于低温环境使用的大多数固溶强化铝合金及一些沉淀硬化铝合金。
可分为两类：(1)固溶强化合金，5000系，3000系；(2)沉淀硬化合金，2000系，6000系，7000系。
常用的低温铝合金是：Al-4.5Mg(5083)，在退火态使用的易焊接铝合金；3003铝合金；Al-1.0Mg-0.6Si(6061)多用途铝合金；Al-6.0Cu(2219)，在沉淀硬化态使用的铝合金。
Al-Li轻合金(如2090，8090等)是性能优异的低温材料，随着温度降低，其强度、塑性、韧性大幅度提高，如2090合金的低温性能(约4K)比2219合金要好得多。
在锻造合金最常用的低温服务考虑的合金1100，2014，2024，2219，3003，5083，5456，6061，7005，7039和7075。
合金5083这是对低温应用最广泛使用的铝合金，展品冷却到室温的氮沸点（- 195oC）：目前低温铝合金研究主要集中在：Al-4.5Mg(5083)、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Cu (2219)、Al-Li轻合金问题：在航空领域应用较多，但低温铝合金板材产业化较少，低温铝合金板材制备LNG储罐国内未见详细报道（只有部分焊接问题探讨过）二、铝合金低温性能1、几种典型的铝合金在低温下拉伸性能如表所示。
7055铝合金材料性能
,AA 7055铝合金材料性能摘要7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金，具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力腐蚀性，具有广泛的应用前景。
材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用，对材料在不同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结构设计的基础。
目前，国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏，同时，目前也没有一个被广泛接受的本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。
另外，作为目前研究材料动态力学行为最为常用的实验设备 -- 分离式霍普金森压杆(SHPB和分离式霍普金森拉杆(SHTB，在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准，有待进一步的研究和发展，譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题，以及SHTB实验中的试样连接方式等。
基于以上背景，本文首先针对SHPE和SHTB实验方法开展了研究和改进工作；然后，较为系统地研究了美国铝业公司生产的AA 7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及行为，结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究，根据实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正，并对本构模型的适用性进行了检验和讨论；最后，为评估AA 7055铝合金的高速撞击特性，对AA 7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对比分析。
本文主要的研究内容如下：第一，基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式，以预估公式为核心，提出了一种可方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法，并通过数值仿真与实验对该方法进行了演示和验证。
第二，设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式，并通过数值仿真及实验测试证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。
第三，利用Gleeble热模拟试验机对AA 7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测试，温度范围为300~750K,加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1 ；利用SHP敢改进试样连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究，应变率测试范围为：动态压缩时900~5000s-1，动态拉伸时500~1600s-1 ;获得了AA 7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。
铝合金建筑材料的发展现状及应用
铝合金建筑材料的发展现状及应用铝合金建筑材料独特的自重轻、比强度高、容易加工、耐腐蚀性好以及便于回收利用等特点成为建筑领域里一种新型应用材料。
标签：铝合金；性能；应用；发展趋势铝合金作为一种优质的、高比强度的轻质结构材料，经过一百余年的发展，已经成为全球用量仅次于钢铁的第二大金属材料。
尤其是20世纪中期开始，铝合金开始大量由军工转向民用，广泛应用于国民生产的各个领域，成为国民基础经济建设中不可或缺的一类重要材料。
传统的混凝土及钢材等建筑材料由于自重大、耐久性差、力学性能差等不足，大大限制了其在一些领域的使用。
而铝合金作为一种有着多种优异性能的新型建筑材料，在当今经济社会建设发展中扮演着越来越重要的角色。
1 概念铝合金是指以铝为基体的一类合金的总称。
主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在建筑业、航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
它的性能特点相对于钢材和混凝土材料来说，铝合金作为一类新型建筑材料具有很多传统建材所不具有的优良特性。
重量轻、比强度高，耐腐蚀性能好和耐低温性能等。
采用铝合金代替钢材或者混凝土可以大大减轻结构自重。
由于上部结构较轻，不但减轻了施工强度，缩短施工周期而且对基础的要求降低，而且减少了下部结构的建造费用。
针对大规格高强度的铝合金材料的成分设计、熔炼、均匀化、固溶、淬火、预拉伸以及时效各工序的相关技术进行了研究。
现代铝合金材料正朝着轻质高强、大规格、高均匀性和材料/结构一体化方向发展，这也是高强铝合金材料科学与工程研究的热点；铝合金在大气的影响下，其表面能够自然地形成一层氧化层。
这种氧化层可以在很大程度上防止铝合金材料的腐蚀，对海洋微生物SRB作用下，铝合金的耐腐蚀情况分析结果表明铝合金作为建筑材料应用到海洋工程时也需要采取一定的防护措施，如涂覆聚氨酯、聚脲防护层等；研究发现随着温度的降低，合金的抗拉强度和屈服强度均呈上升趋势，且抗拉强度的增幅明显大于屈服强度，不会因为屈服强度接近抗拉强度而发生韧脆转变。
先进的结构材料-高强度铝合金
先进的结构材料-高强度铝合金先进的结构材料——超高强铝合金的研究材料科学与工程学院 070201班摘要超高强铝合金具有很高的强度和韧性，是航空航天领域极具应用前景的结构材料。
评述了超高强铝合金的国内外发展情况，论述了铝合金的强化技术和方法，并就今后的研究开发提出了建议。
关键词超高强铝台金强韧化热处理Present Research and Developing Trends of Ultra High Strength Aluminum AlloysAbstract Possessing high strength and toughness(ultra high strength aluminum alloyis a kind of structural material，which can be applied widely in the aviation andaerospace fields，Based on a tremendous amount of literature，this paper introduces the development and applications of ultra high strength aluminum alloys，as well as key mechanism of strengthening aluminumalloy(Additionally，some suggestions for the future exploration of the high strength aluminum alloys are made(Key words ultra high strength aluminum alloy，strengthening and toughening。
heat treatment超高强铝合金是2O世纪6o年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金材料[1-3]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
① 基金项目 : 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999064907 - 2) 收稿日期 : 2003203212 第一作者 男 硕士研究生
第5期
刘昌斌等 : 高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
75
0. 15 % , Si ≤0. 1 %) 十 分 类 似 于 美 国 的 7475 合 金 。 1971 年 ,前苏联学者在深入研究 Al2Zn2Mg2Cu 系的基 础上 ,研制出了超高强铝合金 - B96 Ц,随后又通过提 高合金纯度 ,开发出 B96 Ц的改型合金 B96 Ц- 1 和 B96 Ц- 3 。B96 Ц类似于 7055 合金 ,但有自己的特色 。 北美在 70 年代大量研究 P/ M7000 系合金[4] 。7090 是 第一个 AA 注册的 P/ M7000 系合金 ,其名义成分为 Al2 8Zn22. 5Mg21Cu21. 5Co 。Pickens[5] 报道最高强度为 855 MPa 的 合 金 , 成 分 为 Al29. 87Zn24. 06Mg20. 85Cu2 1. 25Mn21. 06Fe21. 39Ni 。欧洲也报道有强度为 840 MPa 的合金 ,其成分为 Al29Zn23Mg21. 5Cu24Mn 。90 年代 ,美 国 、英国 、日本等工业发达国家利用先进的喷射成形技 术开发出了含锌量 8 %以上 (最高达 14 %) 、σb为 760～ 810 MPa 、δ为 8 %～13 %的新一代超高强铝合金 ,用 于制造交通运输领域的结构件及其他强度要求高 、抗 腐蚀性能好的高应力结构件[6～7 ] 。 1. 2 国内高强铝合金的发展情况
Present States of Research and Developing Trends of High Strength and High Toughness Aluminum Alloy
LIU Chang2bin , XIA Chang2qing , DAI Xiao2yuan ( Department of Material Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083 , Hunan , China)
在 T651 状态下强 T651 、 T6511 、 已用于波音 757 、767 ,
度比 7075 高 10 % T7751 状 态 厚 空中客车 A310 和麦
7150
～15 % , 断 裂 韧 性 高 10 % , 抗疲劳性
板 , T7751 状 态 挤压件
道 MD - 11 等飞机的 上翼结构 , 已被波音
8. 4Zn2. 7Mg2. 3Cu
8
8. 1Zn2. 1Mg1. 7Cu
7
8. 1Zn2. 1Mg1. 7Cu
表 2 高强高韧 Al2Zn2Mg2Cu 系合金的主要特点及应用情况
牌号
主要特点
主要制品及状态
应用实例
强度 、断裂韧性高 , T61 、T761 薄板 , 飞机机身 、机翼蒙皮 ,
7475 抗疲劳性能好
620
650
B96 Ц- 3T2
560
590
B96 Ц- 3T12
620
640
11 5. 6Zn2. 5Mg1. 6Cu
11 6. 2Zn2. 25Mg2. 3Cu
12 5. 7Zn2. 25Mg1. 55Cu
10 8. 0Zn2. 05Mg2. 3Cu
12 6. 5Zn2. 25Mg2. 1Cu
7
表 1 高强高韧铝合金的典型性能
合金牌号及 屈服强度 抗拉强度 延伸率δ
热处理状态 / MPa
/ MPa
/%
原始成 - T736
510
550
7475 - T7651
560
590
7055 - T77
640
660
7150 - T77
614
648
B96 Ц- 1T2
T651 、T7651 和 翼粱 ,舱壁 ,子弹壳
T7351 厚板
强度高 ,断裂韧性 、 T7651 、T7451 状 飞机机身框架 ,舱壁 ,
7050
抗应力腐蚀和抗剥 落性好 , 淬火敏感
态厚板 , T76511 、 机翼蒙皮 ,加强筋 ,起 T73511 挤压 件 , 落架支撑部件 ,铆钉
性小
T74 模锻件
国内超高强铝合金的研究开发起步较晚 。20 世 纪 80 年代初 ,东北轻合金加工厂和北京航空材料研究 所开始研制 Al2Zn2Mg2Cu 系高强高韧铝合金 。目前 , 在普通 7XXX 系铝合金的生产和应用方面已进入到实 用化阶段 ,产品主要包括 7075 、7175 、和 7050 等 ,用于 各种航空器结构件的制造 。20 世纪 90 年代中期 ,北 京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了 7A55 超高强铝合金 ,近来又开发出强度更高的 7A60 合金 。“九五”期间 ,在国家攻关和 863 高技术项目的 支持下 ,北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂 开展了仿制俄罗斯 B96 Ц合金成分的超高强 7XXX 系 铝合金以及具有更高锌含量的喷射成形超高强铝合金 的开发工作 ,他们分别采用喷射沉积和半连续铸造工 艺 ,制成了各种尺寸的 (模) 锻件 、挤压棒材及无缝挤压 管材等 ,合金的屈服强度已分别达 750～780 MPa 和 630～650 MPa 、延伸率则分别达到 8 %～10 %和 4 %～ 7 % ,其中北京有色研究总院用喷射成型技术研制的 7000 系合金 (Al28. 6Zn22. 6Mg22. 2Cu) ,其屈服强度为 710 MPa ,抗拉强度为 740 MPa ,δ= 10 %[8] 。
早在 20 世纪 20 年代就开始研究和开发 Al2Zn2Mg 系合 金 , 美 国 Alcoa 公 司 在 此 期 间 发 展 了 锻 件 用 的
X70S(1931) 和薄板用的 X71S (1932) 以及它们的发展 型合金 。但由于该系合金存在严重的应力腐蚀现象而 未得到应用 。直到 20 世纪 40 年代初才发展了加入 Cu 、Mn 和 Cr 等元素的 Al2Zn2Mg2Cu 系合金 。Cu 、Mn 和 Cr 等元素的加入显著的改善了该系合金的抗应力腐 蚀和抗剥落腐蚀性能 ,最早应用的该系合金是美国 7075 合金 。其后于 70 年代末 80 年代初先后在 7075 合 金的基础上 ,为满足某些特殊性能的要求 ,通过调整合 金元素的含量 ,又发展了几种新型合金 。如为了提高 强度 ,增加了合金中 Zn 、Mg 元素的含量 ,出现了 7178 合金 ;为了获得良好的综合性能 ,采用了以 Zr 代替 Cr 方法 ,并同时提高了合金元素 Cu 的含量及 Zn/ Mg 比 , 而研制了 7050 合金 。对于 7050 合金本身 ,为了寻求 Al2Zn2Mg2Cu 合金薄板的最佳强度和韧性 。通过降低 Fe 、Si 杂质的含量 ,又发展了 7175 铝合金 ,进而开发 了纯度更高的 7475 铝合金 ,近年来 ,国内外正在大力 开发研究强度更高 、韧性及耐蚀性更好的新一代 7A55 高强铝合金 。Al2Zn2Mg2Cu 系合金的发展在前苏联也 受到极大重视 。1944 年开发的 B95 合金 (Al26. 0Zn22. 3 Mg21. 7Cu20. 12Cr20. 4Mn) ,与 7075 相似 。1969 年的合 金 B95оч(Al25. 8Zn22. 3Mg21. 7Cu20. 12Cr20. 4Mn , Fe ≤
综上所述 ,超高强铝合金研制基本上沿着高强度 、 低韧性 →高强度 、高韧性 →高强度 、高韧性 、耐腐蚀方 向发展 ,热处理状态则是沿着 T6 →T73 →T76 →T736 ( T74) →T77 方向发展 ,在合金设计方面的发展特点是 合金化程度越来越高 ,Fe 、Si 等杂质含量越来越低 ,微 量元素添加越来越合理 ,最终达到大幅度提高合金强 度的同时保持合金具有优良的综合性能 ,高强高韧铝 合金是航空航天主要结构材料之一 ,其典型性能见表 1 ,主要特点及应用情况见表 2 。
能好 , 两者 SCC 性
777 用作部分结构件
能相似
抗压和抗拉强度比 T7751 状态厚板 被波音 777 飞机选为
7055
7150 高 10 % , 断裂 韧 性 、耐 蚀 性 与
和挤压件
上翼结构材料
7150 相似
2 铝合金的微观组织结构
高强高韧铝合金的微观组织决定了其合金的宏观 性能 (抗拉强度 、断裂韧性 、抗腐蚀性能等) 。有关研 究[9～11]表明 :高强铝合金的基体沉淀相 (MPt) 、晶界沉 淀相 ( GBP) 和晶界无析出带宽度 ( PFZ) 的形状与特性 决定了合金的宏观性能 。
摘 要 : 对高强高韧铝合金的发展情况进行了全面的评述 。讨论了高强高韧铝合金微观组织与性能之间的关系 ,以及铝合金的主 要强化机制 。简要介绍了回归再时效 (RRA) ,固溶强化等热处理新技术 ,并就今后的研究开发提出了建议 。 关键词 : 高强高韧铝合金 ; 固溶强化 ; 回归再时效 (RRA) ;抗应力腐蚀性 (SCR)
图 1[13]是 7075 高强铝合金经 T6 热处理制度后的 微观组织照片 ,图 1 (a) 中 70752 T6 状态的晶界无沉淀 区 ( PFZ) ,宽约 60 nm ; 图 1 ( b) 为 70752 T6 状态的η′过 渡相的暗场像 ,η′相平均尺寸 d ≈ 4 nm。图 2[13] 为 7075 - T73 状态的微观组织 ,基体析出相 (MPt) 为η′过
第 23 卷第 5 期 2003 年 10 月
矿 冶 工 程
MINING AND METALL URGICAL ENGINEERING
Vol . 23 №5 October 2003
①
高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
刘昌斌 , 夏长清 , 戴晓元