Aluminum alloy additive manufacturing technology!

• 铝合金具有密度低，比强度、比刚度高，塑性好，优良的导电性、导热性和抗腐蚀性等特点，是实现结构轻量化的首选材料，在航空航天、交通运输、船舶舰艇等领域具有广泛的应用前景和研究价值。铝合金的广泛应用促进了铝合金制造技术的发展，传统铝合金加工工艺主要采用熔炼、铸造和锻造等手段，但是随着产品技术水平的不断提高和研制周期的不断缩短，对制造复杂精密结构的铝合金构件也提出了新的要求，不仅要求制造技术高效、快速，而且还要具有随装备设计变化而变化的快速响应能力，以及对复杂精密构件生产制造的灵活适应性。基于上述现状，使用3D打印技术制造铝合金结构件成为了当前研究的热点，3D打印又称为增材制造，是通过 CAD 设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，并在航空航天、生物医学和轨道交通等多个行业得到广泛的应用。增材制造特点是单件或小批量的快速制造， 通过层层构建实体零件，增加了设计自由度和制造灵活性，实现了产品的复杂几何图形定制， 缩短了市场时间，同时消除了传统的规模限制。

  
  

  由于工作原理和热源类型的不同，目前国内外针对铝合金增材制造技术的工艺方法主要有激光增材制造技术（Laser additive manufacturing, LAM）、电弧增材制造技术（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）、电子束增材制造技术（Electron beam additive manufacturing, EBAM）、超声波增材制造技术(Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM)和搅拌摩擦焊增材制造技术(Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM)，本文针对这5种不同的工艺特点进行简单的介绍。

• 1 铝合金激光增材制造技术

  激光增材制造技术是以激光为热源，该技术具有成形精度高、内部缺陷少、力学性能优良的特点。激光增材制造铝合金时多采用铝合金粉末为原料，这就导致了粉末间隙的不确定性从而导致成形件致密度受到影响，并且大多数铝合金对激光的反射率很高，使得激光的利用率较少，目前局限于铸造铝合金或者焊接性较好的铝合金。按照成形原理，铝合金激光增材制造技术主要分为同步金属粉末送给的激光金属直接成形（Laser Metal Direct Forming， LMDF）技术和以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化（Selective Laser Melting， SLM）技术。

  
  

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• SLM制造动图-百度图片

  
  

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• 激光金属直接成形
  （HE B，LI D C，ZHANG A F，et al. Influence of scanning pattern on the edge collapse of solid parts in laser metal direct forming[J]. Optics & Laser Technology, 2013, 48: 171-177.）

  
  

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  2 铝合金电弧增材制造技术

  电弧增材制造技术是通过同步熔丝逐层累加的方法进行的增材制造技术，由于焊接电弧的特点，主要用于制造超大型较复杂零件的成形，材料利用率高、设备成本低、成形结构大，但是由于热输入量较大，成形件表面质量和成形精度很差，需要进行较多的后续加工。未来针对铝合金电弧增材制造技术来说，如何减小热输入量，提高成形精度和质量是未来研究的重点。

  
  

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• 铝合金电弧增材制造成形件
  （QI Z W，QI B J，CONG B Q，et al. Microstructure and mechanical properties of wire + arc additively manufactured 2024 aluminum alloy components: as-deposited and post heat-treated [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 40: 27-36.）

  
  

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  3 铝合金电子束增材制造技术

  电子束增材制造技术根据填充材料的不同，主要分为电子束选区熔化技术（Electron Beam Selective Melting，EBSM）和电子束熔丝增材制造技术（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）。
  EBSM技术是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，高速扫描加热，逐层熔化叠加，获得金属零件，不过EBSM技术存在金属粉末材料制备成本较高、易受污染、利用率低、清理工作繁琐、难以制造大尺寸零件等不足之处。

  
  

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• 电子束选区熔化技术
  （Galati Manuela，Iuliano Luca. A literature review of powder-based electron beam melting focusing on numerical simulations[J]. Additive Manufacturing, 2018, 19:1-20）

  
  

• EBFF技术与其他增材制造技术一样，通过高能电子束对同步送进的丝材进行熔化，按照CAD 模型的特定加工路径进行分层制造，逐层堆积，直至形成致密的金属零件。该工艺具有成形速度快、保护效果好、材料利用率高、能量转换率高等特点。
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• 电子束熔丝增材制造技术 （百度图片）

  
  

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• 电子束增材制造技术

  
  

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  4 铝合金超声波增材制造技术

  铝合金超声波增材制造技术采用大功率超声能量，利用铝合金层与层之间振动摩擦产生的热量，促进界面间金属原子相互扩散并形成固态物理冶金结合，从而实现增材制造成形。该技术具有以下优点：
  (1)固态成形，温度低，材料内部的残余应力低，结构稳定性好。
  (2)制造过程中不产生焊渣、废液、有害气体等污染物，原材料易得，成本低廉。
  (3)不需要高温环境，也不会造成合金元素的挥发，且不影响连接的性能。
  (4)制造过程中铝箔材表面的氧化膜可以被超声波击碎清除。
  (5)可以实现梯度功能材料的制备。

  
  

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• 超声波增材制造工艺
  (GUO H Q, GINGERICH M, BRYANT, M, HEADINGS L, et al. Joining of carbon fiber and aluminum using ultrasonic additive manufacturing (UAM)[J]. Composite Structures, 2019, 208: 180-188)

  
  

• 铝合金超声波增材制造技术还存在一些不足，由于目前超声波功率的限制，只能对厚度较小的铝箔进行快速成形，未来需要大幅提高超声波换能器的输出功率，实现大厚度和高强度金属板材的增材制造。

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• 超声波增材制造技术

  
  

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  5 铝合金搅拌摩擦焊增材制造技术

  搅拌摩擦焊增材制造技术是基于搅拌摩擦焊发展起来的一种新型的增材制造方法。铝合金搅拌摩擦焊增材制造是将高速旋转的搅拌头插入铝合金板材后以一定的行进速度沿既定方向运动，在搅拌头与铝合金板材的接触部位产生摩擦热，使铝合金板材塑化软化，塑化金属在搅拌头的旋转作用下填充搅拌针后方的空腔，形成一层增材区之后在上面继续叠加一层基材，并按照相同的路径和增材间距重复上述操作。该技术生产的铝合金成形件热影响区微观组织变化小，残余应力较低，不易变形，无需去除氧化膜，不需要保护气体，成本低。

  
  

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• 搅拌摩擦焊增材制造技术示意图
  (KHODABAKHSHI F, GERLICH A P. Potentials and strategies of solid-state additive friction-stir manufacturing technology: a critical review[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 36: 77-92)

  
  

• 目前，铝合金增材制造技术在军用和民用领域具有广泛的应用前景。铝合金增材制造技术具有复杂精密成形与轻量化设计等显著优势，目前主要发展趋势如下：

  
  

  (1) 开发铝合金增材制造新方法，进一步探究铝合金增材制造中“工艺—组织—性能”之间的内在联系。阐明铝合金增材制造构件应力形成机理，提出有效控制增材构件残余应力水平及分布的方法，为大型复杂铝合金增材制造构件的制备提供指导。

  
  

  (2) 揭示铝合金增材制造中微熔池传质、非平衡凝固及冷却过程的物理冶金机理及相变行为，实现铝合金增材制造微观组织控制。通过实验与数值模拟相结合的手段，控制及预测铝合金增材制造温度场分布规律，控制增材热过程。

  
  

  (3) 进一步开发增材制造+铣削加工（精密加工）一体化设备，提高铝合金增材制造构件的成形精度，实现铝合金构件的精密加工。通过工艺优化及设备升级，彻底消除铝合金增材制造构件气孔缺陷，提高致密度，改善综合力学性能。