通过优化材料成分和打印工艺，3D打印为铝合金的性能提升打开了一扇大门。此前，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队还制备出具有超高疲劳强度的TiB2改性AlSi10Mg合金，其疲劳极限高达260MPa （R=0.1）, 是其他3D打印铝合金的两倍，并超过了传统锻造铝合金。该团队制备的高抗疲劳3D打印铝合金已成功应用于航空器关键部件，并通过整体寿命实验。
本期，通过节选近期国内其他科研机构在铝合金增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
© 3D科学谷白皮书
仿生竹纤维五系铝基复合结构强-韧性调控与界面显微组织研究
https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00001/2024/51/10/1002312.pdf
杨光1马一鑫1赵朔2钦兰云1王向明3
沈阳航空航天大学机电工程学院2. 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室3. 航空工业沈阳飞机设计研究所
摘要：
铝基复合材料具有高比强度、低成本、良好的耐腐蚀性以及易回收性等特点，被广泛用于航空航天工业、交通运输、电子等领域。
为进一步提高铝基复合材料的强度与韧性，克服强韧性倒置关系，本研究通过在铝基体中加入不同体积分数与尺寸的钛合金骨架结构，制备出强韧性可调控的仿竹纤维Al-Ti复合结构。
研究发现：钛合金强化骨架与铝合金基体界面间发生了扩散反应，形成了致密的冶金结合，界面内析出相为钛铝金属间化合物。与传统铝基复材相比，复合结构铝基复合材料抗压强度高达380MPa-1085MPa，形成一体化微/宏观“高强-高韧”纤维状复合结构。
对微观变形机制研究：高强度化合物的析出有效的阻止异质界面内裂纹萌生、扩展。同时高分辨下观察发现，界面内析出的Ti3Al相变形后在晶粒内部形成了有效的变形孪晶，提高了界面内高、低模量析出相间协调变形能力，是复合结构增强-增韧的主要机制。
增材制造铝合金残余应力研究现状及展望
© 3D科学谷白皮书
李坤1,2左春林1,2廖若冰1,2吉辰1,2蒋斌3潘复生3
重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室2. 重庆大学金属增材制造(3D打印)重庆市重点实验室3. 重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心
摘要：
增材制造铝合金构件在制造过程中产生的残余应力已成为影响其性能的关键因素。全面了解导致残余应力形成的潜在机制，并制定有效的预测和控制策略，对于提高铝合金部件的结构性能至关重要。
本研究系统地阐述了增材制造铝合金残余应力领域的最新研究进展。首先，对残余应力在增材制造铝合金性能方面的影响进行了讨论，包括对缺陷、组织及机械性能的影响；其次，对残余应力的产生机制进行了分析，涉及复杂的热应力场与显微组织演变；同时，对影响残余应力的各种因素进行了审查，主要与构件结构和制造工艺有关；然后，对多种先进检测技术的应用情况进行了探讨，包括X射线衍射法，中子衍射法等；此外，综述了基于精确模型的预测方法及表面处理等调控策略对构件残余应力改善方面的显著效果。最后，总结并展望了增材制造铝合金残余应力的发展趋势和方向。
铝合金熔滴复合电弧增材组织演化及外延生长特性
耿汝伟1王林2魏正英3麻宁绪4
中国矿业大学机电工程学院2. 中国矿业大学材料与物理学院3. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室4. Joining and Welding Research Institute, Osaka University
摘要：
铝合金材料因其优异的性能被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。金属增材制造可实现铝合金构件高性能一体化成形，其中熔滴复合电弧增材是一种高效、低成本的增材工艺。
本工作针对2319铝合金熔滴复合电弧增材工艺，研究了其沉积过程中温度场分布、微观组织演化以及外延生长特性。
首先，通过有限元结合生死单元法计算沉积过程中温度场并提取熔池不同位置的凝固参数，然后代入相场模型实现跨尺度耦合获得熔池不同位置微观组织生长演变过程，发现在熔池底部和中部区域形成柱状晶结构，在中上部出现从柱状晶向等轴晶转变的现象。同时在相场模型中引入取向偏差角，研究凝固过程外延生长特性，结果表明，取向偏差角越大，对枝晶形貌影响越明显，在竞争生长中越容易淘汰。金相分析显示从沉积层底部到上部，微观组织经历了从柱状晶到等轴晶的转变过程，并且柱状晶存在外延生长现象，与模拟结果吻合较好。
激光粉末床熔融稀土改性高强铝合金形性调控研究
齐世文1,2顾冬冬1,2张晗1,2戴冬华1,2
南京航空航天大学材料科学与技术学院2. 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心
摘要：
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有重要应用前景。围绕其激光成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等研究是近年来的研究难点。
本研究开展激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-Mg-Sc-Zr激光工艺优化研究，基于实验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米沉淀析出分布的影响机制，发现优化激光功率为300 W，激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325℃/4 h时效热处理时，成形试件致密度最优为99.5%，抗拉强度达512.4 MPa，延伸率达13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型复杂构件开展了成形试验研究，成形试件最长外形尺寸达570 mm，表面粗糙度Ra≤7.3μm，尺寸精度达0.1 mm/100 mm。
基于神经网络的电弧增材制造铝合金力学性能预测
© 3D科学谷白皮书
张子琪1周祥曼1,2郑事成1李波1李立军1付君健1,2
1. 三峡大学机械与动力学院2. 三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室
摘要：
目的 预测不同工艺参数下电弧增材制造铝合金的力学性能。
方法 通过实验建立了电弧增材制造6061铝合金及Ti C增强6061铝合金力学性能的数据集，并建立了一种以焊接电流、焊接速度、脉冲频率、TiC颗粒含量为输入，以屈服强度和抗拉强度为输出的神经网预测模型，对比了反向传播神经网络(BP)、粒子群算法优化BP神经网络(PSO-BP)、遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)3种预测模型的精度。
结果与BP模型和PSO-BP模型相比，GA-BP预测模型具有更好的预测精度。其中，GA-BP模型预测6061铝合金屈服强度最佳结果的相关系数(R)为0.965，决定系数(R2)为0.93，平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)为2.35，均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为2.67；预测Ti C增强的6061铝合金抗拉强度最佳结果的R=1,R2高达0.99,MAE为0.46,RMSE为0.49,GA-BP具有良好的预测精度。
结论BP、PSO-BP、GA-BP 3种神经网络模型可以用来预测电弧增材制造铝合金的力学性能，GA-BP模型比其他2种模型的预测精度更优。与传统的实验方法相比，用神经网络模型预测电弧增材制造铝合金力学性能的速度更快，成本更低。
激光增材制造汽车转向节零件微观组织及使役性能研究
王文超
郑州铁路职业技术学院机电工程学院
摘要：
汽车构件轻量化是实现节能减排的重要途径，而关键部件在满足比强度的同时还需具备较好的使役性能。铝合金材料因其轻质、高强、易加工等诸多优势，常被用于汽车转向节、控制臂、轮毂等关键零件的加工制造。以转向节零件为例，由于其结构较为复杂，采用传统加工工艺难以满足制造精度与使役强度的双重需求，而采用增材制造可有效解决这一难题。采用选区激光熔化工艺对A357铝合金进行了制备成形，并针对其微观组织、力学性能及疲劳破坏机制进行研究。
结果表明，增材制造A357铝合金为等轴晶与柱状晶交替分布存在的双态组织；合金抗拉强度可达337～351 MPa,断后延伸率为10.3%～11.0%;随着疲劳载荷在不断降低，循环加载次数逐渐增加，在100 MPa应力状态下，循环加载次数可达3.08×106次。
薄壁多筋结构铝合金卫星推进舱仿真优化及增材制造
© 3D科学谷白皮书
李康英
燕山大学
摘要：
随着科技的发展,人类探究太空奥妙的热情越来越高,导致对卫星的数量要求越来越多、功能要求越来越高、系统越来越复杂,因此在轨工作卫星的轻量化和超长时间服役成为重要的研究课题。
本课题设计了一种薄壁多筋结构铝合金卫星推进舱,并能够采用增材制造技术一体成形,与采用铸造、铆接、焊接等传统工艺制造的卫星推进舱相比,不但提高了卫星推进舱的结构性能,同时薄壁多筋结构也实现了卫星推进舱的大幅度轻量化。
该推进舱的设计降低了卫星的研发周期与生产成本,并进一步扩充了我国卫星平台系列的产品型谱。采用有限元仿真技术对不同工况条件下卫星推进舱的结构进行优化,并对增材制造成形过程进行仿真,最终进行了卫星推进舱样件的增材制造成形试验。
在对A型传统结构与B型新型结构卫星推进舱进行仿真对比的基础上,确定B型结构更符合轻量化和燃料储箱容积的设计发展趋势。设计了一种薄壁多筋结构的B型卫星推进舱,使用ANSYS Workbench有限元分析软件基于卫星推进舱的不同工况进行仿真,判断其是否满足设计要求,进而对卫星推进舱进行轻量化结构优化,得到推进舱结构最优参数。
最终的薄壁多筋卫星推进舱结构总质量为133.43g,与原始设计相比减重22.5%,储箱可容纳燃料体积4×102160.4mm3,较传统构型卫星推进舱增加了76.43%。使用ANSYS Additive Print软件对卫星推进舱增材制造过程进行仿真,计算当沿轴向打印卫星推进舱时,总变形量的最大值约为0.79mm;当沿径向打印卫星推进舱时,总变形量的最大值约为1.3mm,结果表明沿轴向打印精度更高。增材制造试验制备的卫星推进舱试样与设计模型相比,尺寸误差小于5%,成形样件晶粒组织分布较为均匀,晶粒尺寸在20-50μm之间,相对密度达到97.1%,断口处存在孔洞,孔洞的直径在2-10μm,占断口总面积的2.61%,导致拉伸试验过程中的应变不均现象。拉伸强度、屈服强度和延伸率均满足使用要求。X射线衍射和EDS能谱分析表明,初始粉体中主要存在Al、Si、Mg2Si相,打印样件中有Al9Si相生成。
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
