駱冬智,孫智富

(重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)兵器工業(yè)研究所， 重慶 402760)

自軍事裝備輕量化的提出，鋁合金因其儲(chǔ)量大，可塑性強(qiáng)和抗腐蝕性優(yōu)異，導(dǎo)熱導(dǎo)電性及高強(qiáng)度被大量應(yīng)用于軍事工業(yè)中[1-2]。幾乎所有鋁合金產(chǎn)品都被應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域，在陸軍作戰(zhàn)裝備里面，輕的鋁合金材料為戰(zhàn)車帶來了更大的機(jī)動(dòng)性。因此，鋁合金結(jié)合軍工發(fā)展的高強(qiáng)高韌研究成為重要課題[3]。

不同于傳統(tǒng)減材制造，美國(guó)ASTM將增材制造(AM)定義為從3D模型中將材料連接的過程，通常為逐層堆疊[4-5]。作為一種新技術(shù)，AM具有節(jié)省材料，縮短工時(shí)，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減重等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在對(duì)結(jié)構(gòu)，性能要求嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域[6-7]。以Al-Li合金為代表的航天飛行器及薄壁導(dǎo)彈殼體等結(jié)構(gòu)件突顯了鋁合金的優(yōu)異性能[8]。現(xiàn)階段，3D打印或增材制造技術(shù)可分為幾大類，見圖1所示。文章主要按照Al合金相關(guān)AM技術(shù)用于軍工領(lǐng)域的構(gòu)件的制造工藝及所得產(chǎn)品的性能結(jié)構(gòu)做出闡述并展望未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于激光源的增材制造技術(shù)

作為理想熱源，激光加熱被廣泛應(yīng)用在AM過程中，其種類可大致分為粉床系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)[10]。就工藝方法而言，激光增材制造技術(shù)主要有：選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)和激光直接熔化沉積技術(shù)(LCD)[10]。不同在于選區(qū)熔化技術(shù)是一層一層熔化金屬粉末，而熔化沉積技術(shù)是利用離散+堆積[11]的原理來實(shí)現(xiàn)材料的成形。

目前AM用Al合金仍舊有限，其一，Al合金成本低，AM加工的Al合金沒有價(jià)格優(yōu)勢(shì)[12]。其二，大多數(shù)Al合金焊接性能都不理想， Al合金的強(qiáng)化都?xì)w咎于析出相強(qiáng)化，而如Al-Zn系高強(qiáng)鋁合金由于含有不穩(wěn)定元素Zn，在AM過程中易導(dǎo)致飛濺，孔隙和熔池劇烈反應(yīng)而不適合AM工藝[13-14]。其三，真空環(huán)境下，Al合金中的如Mg，Li元素蒸氣壓完全異于Al元素，在AM過程中會(huì)首先蒸發(fā)出來[10]。其四，Al對(duì)于激光波長(zhǎng)的反射率很高，同樣也制約著Al的AM過程[15]。其五，熔融Al的低流動(dòng)性導(dǎo)致成形件成分不均勻也制約著Al合金在AM上的運(yùn)用[14]。最后，Al合金的強(qiáng)氧化性生成的氧化膜會(huì)阻礙熔覆層與基體結(jié)合以及在AM過程中形成的氣孔等缺陷也影響了Al的大量使用[16-17]。除了以上缺點(diǎn)，Al合金還具有高導(dǎo)熱性，允許AM過程中快速成形材料，另外較高的導(dǎo)熱能使過程中降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生，降低對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的依賴[10]。

圖1 金屬AM制造技術(shù)分類框圖[9]

目前增材制造用并應(yīng)用在軍工上的Al合金主要Al-Si系。更高強(qiáng)度的Al合金由Schmidtke[18]提出的AlMg4.5Sc0.66合金，Sc元素能形成Al3Sc析出相，強(qiáng)化并細(xì)化晶粒，除此之外，還有Al-Cu,6061,7050，7075和AlSi12等[19-24]。雖然目前Ti合金和復(fù)合材料的應(yīng)用導(dǎo)致Al合金在軍事裝備，特別是飛機(jī)材料中的Al合金所占比例下降，但是超高強(qiáng)Al仍舊在航空領(lǐng)域有著主要應(yīng)用。一般將抗拉強(qiáng)度在500 MPa以上的Al合金定義為高強(qiáng)度Al合金，主要為7系合金(Al-Zn-Mg)[25]。

7055的出現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)上翼蒙皮和機(jī)翼桁條的制造[26-29]，美國(guó)的Alcoa公司開發(fā)出的T77熱處理狀態(tài)，使得7150Al合金的性能在強(qiáng)度和塑性方面都有所提高，并廣泛用于C-17軍用運(yùn)輸機(jī)上[30-31]。AlMgSc系A(chǔ)l合金，作為7系合金的替代品，在飛機(jī)制造上運(yùn)用廣泛。ScalmalloyRP合金[32]是Schmidtke與Palm共同提出的由激光AM技術(shù)制造的一種雙晶粒組織合金：由高冷卻速度和Sc元素細(xì)化晶粒產(chǎn)生的100 nm～1 μm的等軸晶和2～5 μm的柱狀晶組成，組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ScalmalloyRP合金的掃描電鏡圖

左為組織結(jié)構(gòu)圖，右為左圖方框放大圖[32]Al-7Si-0.3Mg合金粉末也是常見AM常用材料，Chen等[33]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻速度從0.19 ℃/s提高到6.25 ℃/s時(shí)，初生α(Al)枝晶形核溫度，共晶反應(yīng)速度和固相線溫度會(huì)降低，導(dǎo)致α(Al)枝晶和共晶成分更大的過冷度。同時(shí)，次生枝晶臂間距對(duì)于冷卻速度十分敏感，當(dāng)冷卻速度提高到6.25 ℃/s時(shí)，次生枝晶臂的間距下降到20 μm，鐵相的平均長(zhǎng)度也由28 μm降到了18μm，隨著冷卻速度的提高，初生枝晶體積分?jǐn)?shù)下降約5%，共晶硅減少，分支狀纖維組織增加。Simchi等[34]對(duì)Al-7Si-0.3Mg合金粉末在選區(qū)燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)5%體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒含量的增加會(huì)增大燒結(jié)的致密度，同時(shí)，SiC顆粒的添加會(huì)增加熔化的穩(wěn)定性，獲得更加連續(xù)的成形件表面質(zhì)量。最新的研究發(fā)現(xiàn)Al-5Si-1Cu-Mg合金粉末可以得到致密度高達(dá)99.7%的成形件[35]。

Martin等[36]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過納米強(qiáng)化后的7075Al合金粉末在熔化凝固后所形成的Al3Zr相為異質(zhì)形核提供了理想的場(chǎng)所，固相線前端大量的形核區(qū)為形成等軸結(jié)構(gòu)提供了條件，過程如圖3所示。

a 傳統(tǒng)7075粉末,b 納米強(qiáng)化后的粉末,c枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致裂紋,d 納米顆粒導(dǎo)致枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)換,e 反極圖表征的傳統(tǒng)3D打印方法產(chǎn)生的裂紋,f 實(shí)驗(yàn)所得等軸晶避免熱裂紋產(chǎn)生[36]

圖3 7075鋁合金的選區(qū)激光熔化過程

Gu等[37]對(duì)2024Al合金沉積方向研究發(fā)現(xiàn)不同沉積方式會(huì)影響致密度，孔洞生成和裂紋。Gharbi等[38]研究了選區(qū)激光熔化2024合金(AM2024)與變形2024-T3合金的顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同于2024-T3樣品的Al2CuMg，AM2024中的第二相為Al2Cu，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)AM2024呈尺寸<1 μm的細(xì)小晶粒，擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。

自20世紀(jì)90年代以來，F(xiàn)/A-22戰(zhàn)機(jī)采用了7050和2124制造飛機(jī)框架，加強(qiáng)肋，腹板，飛機(jī)接頭等構(gòu)件，隨著Al合金的發(fā)展，最新F35戰(zhàn)機(jī)逐漸改用2524和7150兩種新型Al合金[39]。 2524-T3被認(rèn)為是未來戰(zhàn)機(jī)蒙皮的首選材料。對(duì)于2系A(chǔ)l合金的激光增材制造方法，Zhang等[40]發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化參數(shù)后SLM所得2系A(chǔ)l合金富銅相不均勻分布在Al基體上，且在熔池的邊緣地區(qū)逐漸粗化。拉伸結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為402 MPa，當(dāng)480 ℃下熱處理后，合金晶粒均勻化，如圖4(c)所示[41]，隨著熱處理固溶溫度的提高，抗拉強(qiáng)度提高了15%，延伸率提高了47%，因?yàn)镾相(Al2CuMg)的固溶強(qiáng)化效果。

圖4 激光選區(qū)燒結(jié)Al-Cu-Mg系合金掃描電子顯微組織[40-42]

Al合金在激光加熱冷卻過程中的熱應(yīng)力容易導(dǎo)致空洞，為了減少空洞，Nie[43]和Zhang[44]在制備2系合金時(shí)，添加2wt%Zr，所添加的Zr會(huì)導(dǎo)致形成更多的低熔點(diǎn)相，可回填凝固過程生成的Al3Zr相使得柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，見圖4(a),(b)和(d)。J?gle[45]發(fā)現(xiàn)，Zr的加入細(xì)化了晶粒，增加了晶界的體積，在強(qiáng)化材料的同時(shí)也抑制了晶間裂紋的生成，當(dāng)Zr增加，小角度晶界逐漸增大為大角度晶界，Zr/Al-Cu-Mg界面取向完美遵循隨機(jī)取向，減少了各向異性。研究還表明SLM制備的2系A(chǔ)l合金屈服強(qiáng)度可達(dá)446 MPa。在對(duì)不同的Cu含量的Al-Cu合金的SLM制備中發(fā)現(xiàn)，Cu的含量的不同導(dǎo)致了不均勻的結(jié)構(gòu)生成，如圖5所示，每種合金的熔池結(jié)構(gòu)都不一致，區(qū)分出高冷速，低冷速區(qū)及熱影響區(qū)[46]。其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示，研究表明Al-33Cu表現(xiàn)出超過1 000 MPa的壓縮強(qiáng)度，主要是因?yàn)锳l2Cu相所形成的納米共晶結(jié)構(gòu)對(duì)于材料的強(qiáng)化作用。

圖5 SLM制備的Al-xCu合金的熔化層結(jié)構(gòu)[46]

2 基于電子束源的增材制造技術(shù)

電子束增材制造技術(shù)(EBM)與激光增材制造技術(shù)類似，只是將發(fā)熱源改為電子束，應(yīng)用高能電子束對(duì)金屬粉末的加熱作用來熔化金屬從而自下而上的層層堆積，達(dá)到復(fù)雜形狀構(gòu)件的制備。此種方法較Al合金激光制造來說，需要一個(gè)額外的真空環(huán)境，以便電子束在真空中傳播，這樣可以大大降低鋁合金粉末在空氣中氧化，有利于鋁合金成形。目前，電子束增材制造主要集中在選區(qū)電子束熔化(selective electron beam melting，SEBM)和電子束熔絲制造(electron beam freeform fabrication，BEFF，BF3)上。

圖6 Al-xCu的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線[46]

瑞典的Arcam公司最早研制SEBM裝備，在隨后的十年多時(shí)間內(nèi)，陸續(xù)有美國(guó)MIT，德國(guó)奧格斯堡IWB中心和我國(guó)清華，西北有色金屬研究院，上交等高校研究所研制了自己的SEBM的設(shè)備。在SEBM過程中，常見的缺陷有：吹粉，球化等現(xiàn)象，和分層，變形，開裂氣孔等缺陷。

EBM制備的Al合金結(jié)構(gòu)類似于激光AM技術(shù)制備的樣品，不像激光會(huì)被Al大量反射，用電子束加熱Al合金粉末會(huì)大大降低反射[47]另外Al合金焊接性差，某些合金元素在熔化過程中易形成飛濺，汽化，而在真空環(huán)境下的EBM技術(shù)能擇優(yōu)汽化某些元素，從而改變產(chǎn)物的化學(xué)成分[48-49]。EBM所得到的結(jié)構(gòu)也與激光制造所得結(jié)構(gòu)類似，Brice[47]通過BF3獲得2139Al合金強(qiáng)化析出相Al2Cu(Ω相)，通過后續(xù)熱處理與變形2139比較得出EBM制備的2139合金時(shí)效后能達(dá)到形變2139的低位的硬度值。NASA中心Karen[50]研究了飛機(jī)框架用2219Al合金的結(jié)構(gòu)和性能，并與Al合金手冊(cè)中的性能對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高的掃描速度能增大冷卻率，從而使得結(jié)構(gòu)更加均勻，晶粒更細(xì)，如圖7所示。其與2219合金手冊(cè)上的性能對(duì)比如圖7(E)，發(fā)現(xiàn)在幾種工藝參數(shù)下沉積態(tài)2219在2219合金退火態(tài)與固溶時(shí)效狀態(tài)的性能之間，之后的熱處理(T62)狀態(tài)下與手冊(cè)的性能一致[51]。

7系合金由于其超高強(qiáng)度被大量應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼骨架，桁條，起落架等制造。EBM制備Al合金能減少合金元素的汽化，EBM制備的RA-SC預(yù)警機(jī)的7075合金組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。 目前關(guān)于EBM技術(shù)，NASA，Lockheed Martin等研究所和公司針對(duì)鋁合金航空航天結(jié)構(gòu)件做了研究[53]，并完成了在F-22上零件的直接制造[54]。

圖7 選擇電子束熔化制備的2219Al合金的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[50-51]

3 基于電弧的增材制造技術(shù)

電弧填絲增材制造(Wire arc additive manufacturing， WAAM)作為最常用的電弧增材制造技術(shù)，其主要工藝為以電弧作為熱源通過不斷熔化填充絲材沿預(yù)定軌跡逐層堆積出金屬零件，是一種材料利用率高，設(shè)備成本低，沉積效率高的零件快速成形方法,此方法跟一般堆焊類似[55-58]。

圖8 EBM制備的7075合金組織結(jié)構(gòu)(10X)[52]

WAAM可制造較大型零件，但依舊存在：① 殘余應(yīng)力和焊接熱輸入的扭曲，② 成形件尺寸精度較低，③ 成形件表面尺寸差等缺點(diǎn)[58]。有研究表明[59-60]電弧類型對(duì)于鋁合金WAAM的制造及構(gòu)件組織結(jié)構(gòu)性能有影響：例如北航研發(fā)的一種新型電弧焊接，可用于高強(qiáng)鋁合金焊接，可細(xì)化焊縫組織，提高接頭性能[61]。孫等[62]研究了不同熱源對(duì)成形件組織性能影響，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部呈典型層狀結(jié)構(gòu)，各部位主要為等軸晶，HPVP-GTAW熱源較其他相比有益于提高構(gòu)件強(qiáng)度。Horgar等[63]應(yīng)用WAAM制造AA5183Al合金凸緣件，顯微結(jié)構(gòu)及性能結(jié)果表明采用此工藝能夠獲得性能合格的構(gòu)件，在后續(xù)參數(shù)優(yōu)化能大幅降低孔洞和熱裂。

目前用于航空工業(yè)和導(dǎo)彈制造的AA2024合金也大量采用電弧增材制造，但由于其力學(xué)性能接近鑄態(tài)而需要后續(xù)熱處理或者時(shí)效處理[64]。Qi等[65]研究了不同的固溶+自然時(shí)效溫度對(duì)于組織結(jié)構(gòu)及性能影響，發(fā)現(xiàn)固溶+自然時(shí)效能顯著提高2024性能，隨著固溶溫度的提高，第二相轉(zhuǎn)化成α-Al+θ共晶彌散相，對(duì)組織強(qiáng)化，表現(xiàn)為顯微硬度及抗拉拉伸強(qiáng)度逐漸增大，503 ℃后分別達(dá)到143HV，497 MPa，能達(dá)到使用性能，其顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能如圖9所示。

圖9 2024合金顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[65]

為了滿足軍工裝備高強(qiáng)耐磨耐腐蝕的要求，高性能Al合金的研發(fā)成為趨勢(shì)，Al-Li合金因其高強(qiáng)，耐熱，耐蝕，質(zhì)量輕而廣泛應(yīng)用于 飛機(jī)，核反應(yīng)堆，坦克穿甲彈，魚雷等兵器制造中[66]。熱處理之后主要的強(qiáng)化相有T1(Al2CuLi), δ′(Al3Li) 和θ′(Al2Cu)[67]等，用WAAM制備的Al-Li合金組織如圖10所示。圖10A顯示軋制組織的母材焊接接頭組織呈現(xiàn)等軸晶和枝晶狀，時(shí)效后趨于均勻分布。在晶界處T1強(qiáng)化相呈稀疏且粗大，時(shí)效后T1相逐漸增多，β′(Al3Zr)相粒子出現(xiàn)，在周圍晶界產(chǎn)生無析出區(qū)域(PFZ)，均勻分布的粒子對(duì)于晶界有很強(qiáng)的的釘扎作用，抑制再結(jié)晶粒的形核長(zhǎng)大，提高強(qiáng)度和耐腐蝕性[67-68]。

圖10 WAAM制備Al-Li合金顯微結(jié)構(gòu)[67]

Al-Li合金的強(qiáng)韌化機(jī)理主要為析出和固溶強(qiáng)化，析出相δ′(Al3Li)與α-Al基體共格的亞穩(wěn)相，δ′在合金中彌散分布，對(duì)位錯(cuò)滑移起阻礙作用，位錯(cuò)切割δ′相產(chǎn)生的反相界面能，其次為δ′相與基體的內(nèi)摩擦力[69]。其δ′相與α-Al基體共格，不產(chǎn)生交滑移形成共面滑移帶，最后導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界堆積產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和屈服[70]，生成晶界裂紋或者產(chǎn)生的PFZ區(qū)較晶粒內(nèi)部軟，滑移產(chǎn)生的晶界位錯(cuò)和應(yīng)力集中發(fā)生早期變形，在之后的三叉晶界處產(chǎn)生微孔并沿PFZ擴(kuò)展至晶間斷裂[69-71]。

4 結(jié)論

Al合金的AM技術(shù)未來的研究還有很多的方向值得深入開展：1) 鋁合金合金化，隨著最近高熵合金的提出，多合金元素的協(xié)同作用來提高強(qiáng)度，耐磨性的高熵合金如AlCrCuSiTiZrN和AlCoCrCuFeNi等高熵合金可大幅提高硬度，耐磨性，耐蝕性可更多用于飛機(jī)和裝甲，艦船的制造。2) 耐熱，超高強(qiáng)度的Al合金的研制及強(qiáng)化機(jī)理研究，提升戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性要求戰(zhàn)機(jī)加速更快，由此帶來的氣動(dòng)加熱和過載問題更為突出[39]由此對(duì)于飛機(jī)蒙皮來說需要耐更高溫度的材料，過載要求強(qiáng)度更高的材料，因此，發(fā)展更高強(qiáng)度，耐熱性更佳的Al合金成為主題。3) 目前，大部分研究都集中在Al-Si系，Al-Cu系，及7075，6061上，未來將現(xiàn)有的Al合金更多的應(yīng)用在AM制備上，需要解決Al合金的焊接性及非平衡凝固過程導(dǎo)致的基體合金元素固溶局限性，使得AM制備的Al合金達(dá)到傳統(tǒng)制備的性能要求。4) 高殘余應(yīng)力與冶金學(xué)缺陷也不僅降低表面粗糙度和尺寸精度，還導(dǎo)致構(gòu)件的低性能。了解成形過程中缺陷產(chǎn)生的機(jī)理依舊欠缺，AM工藝也主要停留在改善工藝參數(shù)，基底預(yù)熱，熱源及掃描速度，方式等，計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的系統(tǒng)分析整個(gè)過程的研究也較為稀少。5)因?yàn)锳M的特點(diǎn)導(dǎo)致在層與層結(jié)合時(shí)表現(xiàn)出各向異性，未來對(duì)于AM之后再結(jié)合熱處理，時(shí)效等后加工工藝的應(yīng)用也應(yīng)成為趨勢(shì)，另外，現(xiàn)行研究都集中在硬度，拉伸等性能指標(biāo)，疲勞強(qiáng)度，斷裂等力學(xué)行為的研究也較為稀少。AM技術(shù)，作為一門跨學(xué)科的技術(shù)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制備工藝，后續(xù)性能表征的一體化的整體研究是極富有意義，特別是其加工的自由性，為未來軍備制造和發(fā)展提供了新的研究方向。