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        美奥本大学与EOS深入研究3D打印铝合金部件的结构

          近日,由奥本大学和EOS北美工程师组成的研究小组,深入研究了构建方向对3D打印铝合金部件结构完整性的影响。

          该团队对五种最流行的铝合金粉末进行了测试,包括AlSi10Mg、Scalmalloy、F357以及QuesTek和Addalloy® 5T (AD1) 公司生产的铝合金粉末。使用粉末床熔融3D打印技术,他们研究了构建方向如何改变部件微观结构、材料孔隙率和疲劳行为,这些属性都是材料是否适合高应力工业应用的影响因素。

          研究显示,铝合金在增材制造中的使用受到了极大关注,特别是在航空航天工业中,这使得越来越多与增材制造工艺更兼容的新型高强度铝合金不断涌现。但是,在将这些新开发的铝合金用于安全关键承重应用之前,对其结构完整性进行全面研究至关重要。

          随着金属3D打印技术迅速成为汽车、国防和医疗保健等行业的战略应用技术,新材料创新不断涌现。尤其是铝合金,凭借高强度重量比、淬透性和出色耐腐蚀性的特点,使其成为航空航天和赛车运动领域各种应用的首选。

          然而,奥本大学的研究人员表示,3D打印铝合金通常比其他材料更具挑战性。此类材料粉末颗粒轻、流动性差、易吸潮、导热性高,且极易氧化,这一系列问题增加了3D打印铝合金出现缺陷的风险——这些问题对任何材料的机械性能(尤其是疲劳性能)都是有害的。3D打印技术参考也曾在《制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展》中进行了详细解读(链接)。

          当前已经证明,零件的构建方向是产生缺陷的类型、大小和频率的主要影响因素。这归因于不同构建方向下零件经历的热历史变化,因此有必要评估构建方向如何影响3D打印铝合金部件的疲劳行为。

          首先,构建取向对铝合金部件的晶粒结构没有显著影响。然而,构建方向对缺陷具有明显的影响,水平试样的体积缺陷水平比垂直试样高得多。Scalmalloy 和AD1在垂直和水平构造方向之间的缺陷密度变化最小,这是由于这两种合金的热导率相对较低所致。

          将这些合金相互比较,无论构建方向如何,AD1铝合金在疲劳性能方面都优于AlSi10Mg、QuesTek Al和Al F357。这是由于AD1较低的缺陷密度、较高的拉伸强度和较高的伸长率所导致的结果。虽然水平方向构建的Scalmalloy零件的疲劳性能略低于水平方向AD1零件,但两种合金的垂直试样的疲劳寿命相当。

          该研究总结道:“虽然这项研究并未提供整体疲劳性能,但五种不同方向制造的LB-PBF铝合金所得到的数据和知识可以帮助用户选择合适的铝合金种类。

          根据SmarTech的介绍,铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量(按体积计算)将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料,成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。

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