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，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，對飛行器的性能提出了越來越高的要求。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。

 

 

一些民用干線飛機用材結(jié)構(gòu)比例（%）

 

近年來，美國、歐洲的航空設(shè)計部門發(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。明顯可以感覺到，大型客機、戰(zhàn)略運輸機、戰(zhàn)斗機的機翼主翼梁、翼身對接肋、機身承受力框等對鋁合金的高性能化、構(gòu)件大型化的要求越來越突出，總的來說，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打印工藝自然無法滿足大型構(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)量問題。究其原因，主要有以下幾點關(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程中，會有更多的能量通過基體的熱傳導(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程中的變形和應(yīng)力都較大，需要采取零件變形開裂預(yù)防措施；

 

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

 

（4）鋁合金密度低，激光沉積過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，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大幅度增加，同時由于良好的導(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程中可能造成低沸點合金元素（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)取得的進展

 

據(jù)外媒5月12日報道，知名工業(yè)級3D打印機生產(chǎn)商Optomec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，這項創(chuàng)新技術(shù)可用于沉積任何種類的鋁合金材料，包括其專門為提高增材制造加工性能而開發(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工藝對復(fù)雜的鋁合金零件進行修復(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。

 

國內(nèi)方面，在2017年的一篇報道中提到，「頂立科技通過自有技術(shù)，重點解決了旋轉(zhuǎn)霧化制備鋁合金粉體材料微量氧元素控制，低熔點元素?zé)龘p機理、鋁合金激光直接沉積增材制造過程控形控性機制、激光直接沉積鋁合金構(gòu)件熱處理組織調(diào)控機理、零件性能表征及考核驗證方法等關(guān)鍵科學(xué)問題；突破超純潔凈專用鋁合金材料制備、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關(guān)鍵技術(shù)，最終實現(xiàn)大型整體高性能鋁合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。」但實際應(yīng)用案例并未披露。

 

除此之外，筆者也查詢了國內(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鮮見。