激光增材制造高性能铝合金研究进展

训强 张(广西民族大学材料与环境学院，中国)
迎博 郭(广西民族大学材料与环境学院，中国)
春鑫 舒(广西民族大学材料与环境学院，中国)
智同 黄(广西民族大学材料与环境学院，中国)
梦萍 黄(广西民族大学材料与环境学院，中国)

摘要

铝合金因其高比强度和轻质特性成为航空航天领域轻量化制造的关键材料，但传统制备工艺难以满足复杂构件的高性能需求。激光增材制造技术虽为高性能铝合金成形提供了新路径，但仍面临热裂纹敏感、气孔缺陷及组织各向异性等核心挑战。本文系统综述了激光增材制造高性能铝合金的研究进展。首先，从凝固裂纹、孔隙缺陷及各向异性三个方面阐述了成形过程中的核心问题；其次，重点分析了合金成分设计与工艺调控两大策略在缺陷抑制中的应用；最后，总结了典型铝合金体系的性能突破并对未来多目标优化设计方向进行展望。关键词激光增材制造；高性能铝合金；缺陷调控；微合金化；多能场复合【基金项目】广西民族大学自治区级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：S202410608238）。【作者简介】张训强，男，本科，从事金属材料工程研究。1 引言铝合金作为低密度、高比强度的金属材料，在航空航天、新能源汽车等领域具有不可替代的轻量化优势[1-2]。随着我国大飞机制造、深空探测等重大工程的推进，对复杂薄壁、整体化铝合金构件的需求日益迫切。激光增材制造技术（包括选区激光熔化和激光金属沉积）凭借其逐点成形的柔性化特征能够实现快速熔化细化晶粒、抑制成分偏析，为高性能铝合金复杂构件的短周期制备提供了新途径[3]。然而，铝合金高激光反射率、高导热率及高氢溶解度等物理特性导致增材制造过程极易产生热裂纹、气孔及组织各向异性等缺陷[4]，严重制约了其在关键承力构件中的应用。2 激光增材制造铝合金面临的核心问题2.1 凝固裂纹敏感性制约高强铝合金成形高强铝合金（如7075、2024等）含有大量Cu、Zn、Mg等强化元素，固液相线温度区间较宽，凝固末期易形成固液共存的"糊状区"[5]。激光增材制造极高的温度梯度与冷却速率导致熔池内产生显著热应力同时熔体流动性差，难以有效回填收缩形成的微孔，最终在晶界液膜处萌生凝固裂纹[6]。研究表明，7xxx系铝合金的临界开裂应力仅为63 MPa[7]，成形难度极大。尽管微合金化改性（如添加Sc、Zr、Ti等元素）可通过异质形核细化晶粒、延长裂纹扩展路径降低裂纹形成[5-6]，但完全消除裂纹仍需结合后续热处理与工艺优化。2.2 孔隙缺陷显著降低构件疲劳寿命孔隙是激光增材制造铝合金的另一类关键缺陷，主要分为未熔合孔隙与氢气孔两类。铝合金对近红外激光反射率高达94%，能量耦合效率低，易导致粉末未充分熔化形成未熔合缺陷；同时，铝液对氢溶解度随温度变化显著，快速凝固过程中气体来不及逸出形成球形氢气孔[4]。高分辨率X射线显微CT观察显示，气孔多位于熔池内部，而未熔合缺陷集中于熔池边界与层间界面[6]。这些孔隙在循环载荷下成为裂纹萌生源，显著降低构件的高周疲劳寿命，严重制约了其在航空发动机等关键部件中的应用。2.3 组织各向异性导致力学性能不均匀激光增材制造的逐层堆积特性与熔池极端温度梯度促使晶粒沿构建方向外延生长形成粗大柱状晶，导致显著的织构与各向异性[8]。电子背散射衍射分析表明，AlSi10Mg合金经选区激光熔化后呈现强烈的<100>丝织构，水平方向与垂直方向力学性能差异可达20%以上[8]。此外，熔池边界与中心区域凝固条件差异导致组织不均匀，中心细晶区与外围粗晶区并存进一步恶化了性能一致性。虽然通过添加晶粒细化剂可弱化织构强度[6]，但实现真正的各向同性仍需突破现有工艺局限。3 高性能铝合金性能突破研究3.1 合金成分设计与微合金化改性针对热裂纹敏感性问题，微合金化改性被视为调控凝固行为的有效手段。Sc、Zr、Ti等元素与铝形成Al3Sc、Al3Zr、Al3Ti等L12结构纳米相，作为异质形核核心可有效细化晶粒、促进柱状晶向等轴晶转变[9-10]。Deng等[9]通过热力学计算并设计了Al-Zn-Mg-Sc合金，Sc的加入改变了凝固路径，经固溶时效处理后抗拉强度达390 MPa、延伸率为29.6%。Li等[10]利用商用TC4钛合金粉末引入Ti、V元素，使7075铝合金抗拉强度提升至441 MPa。此外，TiC、TiB2等纳米颗粒增强技术通过外加陶瓷相提供形核位点，同时利用载荷传递机制实现复合强化[11]，为高强铝合金无裂纹成形提供了新途径。多元协同合金化设计是研发耐热铝合金的重要方向。Singh等[12]开发的Al-Ni-Ti-Zr-Mn合金利用Ni元素的共晶凝固机制抑制裂纹，形成纳米级L12析出相与亚微米共晶通道的分级组织，在密度仅0.77 g/cm³时点阵结构压缩屈服强度达63.13 MPa。Qi等[13]设计的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金通过超低扩散系数元素构建热稳定纳米析出相，在300℃下屈服强度仍保持常温时的37%，突破了传统铝合金的高温软化瓶颈。3.2 工艺参数优化与多能场辅助工艺参数直接决定熔池热流行为与凝固特征。研究表明，激光功率与扫描速度的比能量输入显著影响气孔率与晶粒尺寸：功率过低导致未熔合，过高则引起匙孔气孔[14]。吴尚育等[14]优化激光熔丝增材工艺，在3.0 kW功率与4.5 m/min送丝速率下气孔率降至1.46%。基板预热也可降低温度梯度、延长凝固时间，促进气体逸出与应力释放[15]。光束整形与摆动策略通过重构能量场分布改善成形质量。圆形摆动光束可稳定匙孔动态、促进气泡逸出，同时搅拌作用打断柱状晶外延生长[16]。Cui等[16]证实圆形摆动配合50%搭接率可获得最低气孔率与最平整表面。多能场复合技术进一步拓展了工艺窗口：磁场辅助通过洛伦兹力诱导熔池水平涡流，促进等轴晶形成并抑制Si元素偏析[17]；激光-电弧复合制造结合高能量密度与低成本的优点，通过熔池流体模式调控减少未熔合缺陷[18]；超声振动则利用空化效应破碎气孔、细化组织。3.3 典型铝合金体系性能突破Al-Si-Mg系合金凭借优异的铸造性能成为商业化标杆材料。针对其高温性能不足问题，Lehmhus等[19]通过去应力退火抑制胞状结构分解，使合金适用于250℃以上热端部件。Soyama[20]采用水下激光喷丸复合工艺，在次表层引入高密度位错与压应力，将AlSi10Mg疲劳强度从54 MPa提升至103 MPa，实现了性能的翻倍。Al-Cu系合金虽具有极高比强度潜力，但其宽凝固区间导致的热裂纹敏感性长期制约应用。贾增庆等[21]通过添加1.5% TiC颗粒改性2024铝合金，TiC作为异质形核核心细化组织，并引入Cu元素后经T6热处理后抗拉强度达400 MPa。Xi等[22]提出Ti与CeB6协同微合金化策略，利用高生长限制因子与形核作用实现晶粒极度细化，在扫描速度高达1200 mm/s下仍无裂纹成形。Al-Zn-Mg-Cu系合金作为航空航天主力材料，面临热裂纹与元素烧损双重挑战。胡嘉颖[23]针对7075合金提出固溶加双级时效工艺，通过控制析出序列使晶界析出相由连续网状转变为断续链状，在显微硬度提升至160 HV的同时显著改善耐蚀性。曹少霆[7]通过机械混粉引入Ti颗粒，利用原位反应生成纳米Al3Ti相使临界开裂应力从63 MPa激增至1696 MPa，从根本上解决了高强铝合金的成形难题。4 结论激光增材制造为高性能铝合金复杂构件的成形提供了变革性技术路径，但在解决热裂纹敏感、气孔缺陷及组织各向异性等核心瓶颈方面仍有待突破。因此，基于目前面临的核心问题与国内外研究现状，未来需在以下方面进一步深入研究：（1）探索如何综合考虑强韧性、耐热性及成本等多目标需求，建立基于机器学习辅助的合金成分设计方法，开发激光增材制造专用铝合金体系；（2）构建多能场时空协同调控机制，将光束摆动、磁场辅助、超声振动等技术与实时监测相结合，实现熔池形态与凝固组织的精准控制；（3）进一步研发原位热处理与智能化工艺装备，利用增材制造过程中的热循环诱导纳米相原位析出，减少后续热处理工序，建立工艺-组织-性能的全流程智能优化体系。参考文献[1] 顾冬冬, 张红梅, 陈洪宇, 等. 航空航天高性能金属材料构件激光增材制造[J]. 中国激光, 2020, 47(5): 32-55.[2] MARTIN J H, YAHATA B D, HUNDLEY J M, et al. 3D printing of high-strength aluminium alloys[J]. 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关键词

激光增材制造；高性能铝合金；缺陷调控；微合金化；多能场复合

参考

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7075引入TC4钛合金粉末（Ti、V）441

Al-Ni-Ti-Zr-MnNi共晶凝固 + 纳米L12析出相63.13密度 0.77 g/cm³

Al-Cu-Li-Sc-Zr超低扩散系数元素 + 纳米析出相300℃下屈服强度保持常温37%

AlSi10Mg水下激光喷丸103原始疲劳强度54 MPa

20241.5% TiC颗粒 + T6热处理400

7075机械混粉引入Ti颗粒临界开裂应力1696 MPa

DOI: http://dx.doi.org/10.12345/gcjsygl.v10i8.38740