在眾多激光能量沉積技術(shù)的應(yīng)用案例中，我們看到比較多的是大型鈦合金框架結(jié)構(gòu)、鎳基高溫合金以及銅合金的火箭燃燒室，以及一些其他材質(zhì)零件的修復(fù)案例等等，鋁合金零件的激光能量沉積案例極少看到。那么鋁合金的大型整體構(gòu)件制造是沒(méi)有需求嗎？

 

大型整體式鋁合金構(gòu)件直接制造的需求

 

應(yīng)用案例雖極為鮮見(jiàn)，但大型鋁合金構(gòu)件的直接制造卻也有著重要需求。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)飛行器的性能提出了越來(lái)越高的要求。采用高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件尤其是大型整體鋁合金主承力結(jié)構(gòu)件仍然是減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量，提高運(yùn)載能力和飛行速度的重要技術(shù)途徑之一。因此高性能鋁合金的材料制備和零件制造新工藝、新方法始終是研究的熱點(diǎn)。

 

 

一些民用干線(xiàn)飛機(jī)用材結(jié)構(gòu)比例（%）

 

近年來(lái)，美國(guó)、歐洲的航空設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)現(xiàn)，采用大型整體式鋁合金構(gòu)件替代傳統(tǒng)的組合式鋁合金構(gòu)件，可減重15-20%，并且構(gòu)件壽命及可靠性明顯增加。明顯可以感覺(jué)到，大型客機(jī)、戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼主翼梁、翼身對(duì)接肋、機(jī)身承受力框等對(duì)鋁合金的高性能化、構(gòu)件大型化的要求越來(lái)越突出，總的來(lái)說(shuō)，在航空航天領(lǐng)域，鋁合金材料重新受到重視。

 

然而，當(dāng)前以SLM技術(shù)為主的鋁合金3D打印工藝自然無(wú)法滿(mǎn)足大型構(gòu)件的制造需求，而激光能量沉積技術(shù)為什么沒(méi)能用于大型整體高性能鋁合金關(guān)鍵金屬零件的直接制造呢？

 

采用激光能量沉積直接制造鋁合金構(gòu)件的瓶頸

 

目前，鋁合金激光能量沉積技術(shù)多停留在研究階段，即便采用送絲打印能夠使用，也存在成本控制和質(zhì)量問(wèn)題。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)難題未能有效解決：

 

（1）與鋼和鈦合金相比，鋁合金的導(dǎo)熱率更高，而鋁本身的激光吸收率低、反射激光率高，在鋁合金激光直接沉積過(guò)程中，會(huì)有更多的能量通過(guò)基體的熱傳導(dǎo)損失掉，降低鋁合金零件成形效率；

 

 

激光沉積用于修復(fù)

 

（2）鋼的熱膨脹系數(shù)是鋁合金的一半，鋁合金激光直接沉積過(guò)程中的變形和應(yīng)力都較大，需要采取零件變形開(kāi)裂預(yù)防措施；

 

（3）鋁合金在激光直接沉積過(guò)程中極易與氧發(fā)生反應(yīng)生成熔點(diǎn)高（2050℃）、相組織穩(wěn)定、密度相對(duì)較高、難以去除的Al2O3。Al2O3氧化層會(huì)在后續(xù)沉積過(guò)程中形成夾渣、未熔合等缺陷；

 

（4）鋁合金密度低，激光沉積過(guò)程中易受到激光轟擊產(chǎn)生粉塵飛濺，一方面使制品產(chǎn)生缺陷，另一方面造成成形腔室粉塵飛揚(yáng)，影響打印環(huán)境；

 

 

激光沉積用于修復(fù)

 

（5）鋁合金在熔融的狀態(tài)下，氫在鋁合金中的溶解量會(huì)大幅度增加，同時(shí)由于良好的導(dǎo)熱性，在熔池快速凝固的情況下，氫難以逸出，滯留在熔池中形成氣孔；

 

（6）鋁合金在激光直接沉積過(guò)程中可能造成低沸點(diǎn)合金元素（如Zn、Si等元素）燒損，造成合金成分的變化，影響零件的組織和性能。

 

鋁合金激光能量沉積技術(shù)取得的進(jìn)展

 

據(jù)外媒5月12日?qǐng)?bào)道，知名工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)生產(chǎn)商O(píng)ptomec宣布，其公司LENS定向能量沉積（DED）系統(tǒng)在增材制造和鋁合金修復(fù)方面取得了突破。該公司表示，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可用于沉積任何種類(lèi)的鋁合金材料，包括其專(zhuān)門(mén)為提高增材制造加工性能而開(kāi)發(fā)的鋁合金。

 

 

Optomec LENS DED系統(tǒng)將鋁粉打印到鋁合金基板上

 

Optomec公司這一DED工藝的發(fā)展為交通運(yùn)輸和航空航天工業(yè)提供了一種新的加工途徑，即可以利用粉末冶金的DED工藝對(duì)復(fù)雜的鋁合金零件進(jìn)行修復(fù)。此外，使用Optomec的LENS同步五軸系統(tǒng)可以直接加工具有復(fù)雜幾何形狀的鋁合金零件，而無(wú)需任何支撐結(jié)構(gòu)。鋁合金在極低的氧氣濃度和濕度的可控工作箱中沉積，從而確保制造出具有優(yōu)異機(jī)械性能的部件。

 

 

Optomec 3D打印的鋁合金樣塊及顯微組織

 

當(dāng)前，Optomec的工程師已經(jīng)完成了鋁合金的工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)，可提供出色的表面光潔度，高沉積速率和約99.9％的密度。

 

國(guó)內(nèi)方面，在2017年的一篇報(bào)道中提到，「頂立科技通過(guò)自有技術(shù)，重點(diǎn)解決了旋轉(zhuǎn)霧化制備鋁合金粉體材料微量氧元素控制，低熔點(diǎn)元素?zé)龘p機(jī)理、鋁合金激光直接沉積增材制造過(guò)程控形控性機(jī)制、激光直接沉積鋁合金構(gòu)件熱處理組織調(diào)控機(jī)理、零件性能表征及考核驗(yàn)證方法等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題；突破超純潔凈專(zhuān)用鋁合金材料制備、自適應(yīng)激光直接沉積增材制造技術(shù)、高性能熱處理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)大型整體高性能鋁合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用?！沟珜?shí)際應(yīng)用案例并未披露。

 

除此之外，筆者也查詢(xún)了國(guó)內(nèi)中科煜宸的官網(wǎng)，明確提到可以采用激光能量沉積技術(shù)打印鋁合金，但這方面的案例也確實(shí)鮮見(jiàn)。