第一部分请戳高强度铝合金增材制造面临的挑战和混合增材制造的发展现状（Ⅰ）

３．２． 缺陷

由于制造条件和合金本身的性能，2xxx和7xxx高强度铝合金的AMed部分会出现几种类型的缺陷。常见的缺陷包括开裂、气孔、球化和卫星化、挥发性合金元素的氧化和蒸发。

3.2.1.开裂

AM加工过程中出现裂纹的原因有多种，包括孔隙的存在（作为裂纹萌生点；见图8（a）），以及制造过程中加热和凝固的影响。铝合金AM加工过程中的开裂可分为液化开裂和凝固开裂。液化是在加热时对微观结构的某些组分进行选择性熔化。例如，熔点较低的第二相颗粒或具有高度偏析的晶界可能具有比基体低得多的熔点，因此开始局部熔化，从而导致这些位置的脱粘。液化开裂倾向与合金元素的高浓度和可热处理铝合金的高导热特性以及高激光功率和/或高扫描速度有关。

图8 (a)在500w激光功率和1200mm /s扫描速度下对SLMed AA7075热裂纹的扫描电镜观察，(b) SLMed AA7075的气孔形成和热裂纹的萌生

相反，凝固裂纹发生在凝固的最后阶段，此时没有足够的液体流动来填充凝固金属之间的间隙，而凝固金属所占的体积小于液体。这种类型的裂纹与较大的凝固范围有关（ΔT=Tliquidus–Tsolidus）。在高强度铝合金的AM中，凝固开裂是一种非常常见的现象，尤其是对于AA2xxx。由于高强度铝合金快速凝固过程中的裂纹敏感性，在AA2024、AA7050和AA7075等合金AM的几项研究中对裂纹形成进行了研究，旨在消除裂纹产生。在这些合金的凝固过程中，柱状晶粒沿热梯度方向扩展，并沿晶界收缩，导致裂纹形成。在凝固的最后阶段，可以沿晶界观察到凝固裂纹的形成和扩展。

3.2.2 孔隙度

多孔性是高强度铝合金熔铸件中最常见的冶金缺陷之一，在激光作用下尤为明显。可分为缩孔、气孔和熔合误差。有几个因素与孔隙形成有关，如扫描技术、热裂解、扫描速度和使用的保护气体。即使优化了工艺参数，仍然可以观察到一定程度的孔隙度。在SLM过程中，常见的孔隙类型有小孔和冶金孔。这些在激光扫描后形成的气泡被困在零件表面下。激光扫描速度快时，主要形成小孔孔(>100 μm且形状不规则)，而扫描速度慢时，主要形成冶金孔(尺寸<100 μm且呈球形)。其他类型的气孔可能是由于铝合金粉末不完全熔化或印刷的铝层之间不适当的附着力造成的。Kaufmann等人报道了AA7075的热裂起源于孔隙(图8(b))。

3.2.3.球化效应和卫星生成

考虑到表面能最小化的原则，AM工艺中的液态金属在与基板接触不良时，可能由于表面张力而收缩成球形几何形状。这种球体的形成被称为成球。由于球化导致铝合金表面接触不良，凝固层上可观察到粗糙表面，导致零件质量低下。高强度铝合金AM中的成球通常与熔化和烧结过程有关。在高强度铝合金的AM过程中，液滴飞溅和润湿性差也会导致成球现象。当在较低的熔池中达到足够的熔化水平时，球化倾向于被抑制。卫星生成是另一种表面缺陷，在微观结构和形态上与成球略有不同。卫星表面缺陷不同于球体，它由粘在表面层上的几个粒子组成。因此，卫星编队高度依赖于扫描策略和参数。在Aboulkhair等人的研究中，在扫描速度为250mm/s时，观察到的SLMed AlSi10Mg中的卫星形成少于在500mm/s或750mm/s时的卫星形成。在以750mm/s激光扫描速度对AlSi10Mg合金进行SLM后观察到的大量成球和卫星生成如图9（a）所示。

图9 AMed零件的表面缺陷:(a)在750 mm/s扫描速度下SLM中高强度AlSi10Mg的成球，(b) SLMed AA6061的氧化膜形貌的SEM图像

3.2.4 氧化

另一个降低暴露在激光熔化下的AMed组件质量的问题是在逐层建造、激光金属沉积和烧结过程中的氧化(图9(b))。三氧化二铝的热机械稳定性使得铝合金粉末表面的氧化膜难以去除。Louvis等人通过激光熔化AA6061和al - 12si合金，研究了熔池不同点氧化垢的形成机理。在他们的研究中，位于熔池上部表面的氧化垢在激光照射后蒸发。搅动熔池的马朗戈尼力也被认为是氧化皮破裂的最有可能的原因。氧化皮残留在熔池两侧，导致区域孔隙。用保护气体完全填充制造零件的腔室是不可能的，因为铝合金粉末中存在气隙，所以氧气残留0.1-0.2%。

将SLM试样插入氢氧化钠溶液中显露氧化物。

6061样品切片的光学和SEM显微图(A)用凯勒试剂抛光、蚀刻后的样品;(B)用NaOH溶液深蚀刻。

如上面两幅图，为了确定样品中存在的氧化物水平，使用氢氧化钠溶液(40 wt% NaOH)进行深度蚀刻。这种溶液与铝反应强烈，使其进入溶液，但不与氧化铝反应，允许任何氧化物回收。为了回收试件顶部的氧化层，6061 SLM试件的顶部表面粘有环氧树脂，然后合金溶解。然而，不是从样品的最顶部观察薄层，而是看到氧化物层出现在激光缺口之间。因此，尽管在氧化物分解的层之间发生了键合，但在轨道之间却不是这样。

在AM工艺中，除了零件的顶表面，每一扫描层都可能发生氧化。通过控制氧化膜的形成，可以调节激光熔炼铝合金零件的质量。在激光熔化的AM工艺中，氧化对合金的粉末团聚也有影响。因此，铝合金粉末在辊筒上撒布不均匀，各辊道次熔体池错位，导致AMed零件结构完整性和精度下降(辊筒示意图和撒粉部分见图1(a))。因此，铝合金不同区域的熔化和润湿是由氧化物的分离或破坏控制的，而不是由不同区域的熔化控制的。监测建筑体积中的氧气水平可以保护过程免受爆炸，特别是在安全关键的AM应用中。为此，氧气分析仪允许制造商控制建筑体积中的氧气水平。

3.2.5 挥发性合金元素的蒸发

在功率密度相对较高的AM工艺中，如果合金成分中某些元素的熔点低于粉末合金的母材的熔点，这些元素就会发生选择性蒸发。蒸发引起的成分变化可以改变耐蚀性、机械性能和凝固组织。研究主要集中在高强度铝合金SLM和PBF-L加工过程中挥发性合金元素的蒸发，如Zn、Mg和Li，目的是延长这些合金的加工性能。Mauduit 等人评估了几种高强度铝合金用于PBF-L的适用性。PBF-L工艺后化学成分的变化见表2。特别要注意Zn和Mg含量的显著变化，用粗体标注。

表2 PBF-L工艺后高强度铝合金成分的化学成分变化(wt%)，重要的变化以粗体突出显示。

3．3． 减少或消除缺陷的方法

一些关于高强度铝合金的研究表明，通过优化工艺参数或修改合金成分，可以生产出几乎(95%-99%)无缺陷的高强度铝合金部件。额外的工艺特性，如热处理、预热和在真空中进行工艺，已被应用于尽量减少或消除3.1节中所述的缺陷，并改善AMed部件的机械和冶金性能。

3.3.1 增材制造工艺参数的优化

工艺参数的选择和AM工艺参数的优化显著影响最终部件的质量和机械及冶金性能。这些参数已在几项研究中得到优化。例如，使用激光的AM过程中的裂纹可以与高残余应力的产生联系在一起。为了减少高强铝合金快速凝固过程中残余应力的产生，需要考虑最合适的扫描策略。提出了消除裂纹的最佳方法是在加工过程中通过原位合金化改变易裂纹铝合金的成分。可以在熔池成分中加入额外的锆(Zr)等合金元素，以缩小凝固温度范围。

用电子背散射衍射技术测量晶粒图

在熔池边界处，由于较大的温度梯度和较慢的凝固速度，很难诱发结构过冷，因此最常见的是形成平面晶粒。随着晶粒向熔池中心生长，温度梯度减小，晶粒长大速率、溶质质量分数和结构过冷区逐渐增大。柱状晶粒中的亚结构依次为胞状晶粒、胞状枝晶和枝晶。当晶粒向熔池中心生长时，最终形成等轴晶粒。

熔炼方式是影响这些铝合金熔炼性能的另一个关键因素。裂纹密度与熔体模式有关，影响最后熔体池的几何性质。铝合金熔炼采用两种熔炼方式，即小孔熔炼和传导熔炼。在小孔熔炼过程中，利用较高的激光能量密度来实现材料的蒸发，蒸发后的材料产生蒸发压力，形成一个凹陷。如果采用较低的能量密度，材料熔化的方式称为传导熔化。然而，较低的激光密度可导致部分熔化和球化。因此，小孔熔化模式被确定为减小裂纹密度的较好模式。Qi等人指出了在激光熔化的AM工艺中，选择小孔模式熔化al粉的重要性和作用。在保持其他扫描参数不变的情况下，验证了小孔和传导熔化模式在避免裂纹方面的差异。在相同的扫描速度下，采用钥匙孔熔化方式的AA7050的晶粒结构比采用传导熔化方式的晶粒结构更细(图10(a - c))，沿晶界扩展的裂纹也更少(图10(b-d))。

图10 SLMed AA7050的EBSD图:(a,c)晶粒结构和取向，(b,d)裂纹形成

基板预热（也称为基板）是另一种通过降低热梯度陡度来最小化残余应力的方法；因此，残余应力引起的变形可以最小化。为了减少残余应力和由此产生的裂纹，可提供液态金属，以回填形成的任何裂纹。用于保护的惰性气体在液态金属中是不溶的，因此可以观察到由于惰性气体滞留在固化池中而产生的任何孔隙[87]。根据Wang等人，当氦（He）用作保护气体时，机械性能较差，尤其是延展性较差。使用Ar或N进行屏蔽可提高机械性能，即极限抗拉强度和屈服强度分别提高20%和50%，与不使用保护气体的相同工艺相比，伸长率增加了一倍。

Koutny等人研究了SLM过程中扫描面积与孔隙生成之间的关系。AA2618中扫描面积的增加导致更高的孔隙密度。为防止出现气孔，可选择工艺参数的优化组合，包括扫描速度、熔化模式、粉末层厚度和激光功率。高能量密度有助于产生足量的液态金属，以减轻成球。此外，温度越高，液态金属的流动性越高，从而增加固化层的润湿性。基板预热还可以通过降低合金凝固过程中的收缩效应来增强基板和熔体之间的润湿性，从而提供良好的机械粘合水平。

氧化皮的形成导致熔池表面钝化，从而促进冶金缺陷，如气孔。因此，消除铝合金AM加工过程中氧化皮的形成至关重要。可用于防止氧化皮形成的方法包括在真空工艺环境或足够低的氧分压下进行印刷，以及在干燥和凉爽的环境中储存铝合金粉末。即使使用这些方法，到目前为止，也无法实现完全没有氧化皮的AMed零件。因此，需要采用新技术来减少或消除氧化皮的形成，以实现完全无氧化物的AMed铝组件。降低或消除低蒸气压和熔点挥发性元素蒸发的方法包括选择适当的扫描速度和中等激光功率组合。然后，可以调整AM过程中的熔池温度以及使用的相关能量密度。

3.3.2 合金成分的改变和热处理

通过与热处理相结合对合金成分进行改进，可以克服AM工艺中出现的一些缺陷，从而获得完全无缺陷且组织精细的合金成分。一些研究评估了在AA2xxx和AA7xxx合金中引入Zr和硅(Si)的成分改性，目的是改善这些合金的机械性能。例如，si改性的AA7075在160℃时效6h的拉伸试验中，屈服强度提高了10%，极限拉伸强度提高了6.75%。类似的成分修饰方法也应用于2xxx高强度铝合金。Nie等研究了Zr的引入对al - cu - mg合金在83和167 mm/s的高扫描速度下晶粒尺寸的影响。这导致了相对较小的晶粒尺寸和非常好的机械性能;Zr添加量在0 wt% ~ 2.5 wt%之间对晶粒结构的影响如图11所示。随着Zr含量的增加，在较高的扫描速度下可以获得理想的机械性能。

4.铝合金混合增材制造工艺

4.1. 混合制造与混合增材制造

增材和传统制造工艺的缺点和工艺限制导致工业界和学术界加大了克服这些挑战的努力。已经开发了一种制造工艺的杂交方法，其中不同的材料、机器和制造工艺被组合在一起。根据国际生产工程学会（CIRP），混合制造过程的定义是：“混合制造过程基于对过程性能有重大影响的过程机制和/或能源/工具的同步和受控交互。”在该定义中，“同步和受控交互”指在同一时间和同一制造区内或多或少的交互。近年来，混合制造工艺已在各种技术中实施，如混合等离子沉积和铣削、混合分层制造和三维焊接和铣削。

混合制造工艺可分为几种主要类型，即混合减法、混合变形、混合加法、混合加法+减法、混合接合+减法、混合加法+变形和混合减法+变形，其中“变形”指轧制等操作。作为混合制造的子类别之一，混合增材制造（混合AM）可定义为多步骤制造，其中AM工艺与其他生产方法（通常为减法和/或另一AM工艺）结合使用，以实现所需的材料性能，最终零件的设计和尺寸公差。

例如，与传统制造（CM）工艺相比，AM工艺仍然限制几何精度和表面质量，因此，CNC加工操作通常作为混合AM工艺中的后处理步骤实施，以消除表面粗糙度，提高尺寸精度，并移除某些AM过程中使用的支撑结构。因此，混合制造方法能够生产比单独使用AM或传统制造工艺更高精度的零件。

混合AM的类别包括几种不同的制造工艺和材料集成方法，例如：（i）加法和减法（AM对CM），（ii）加法和加法（不同AM工艺的组合），（iii）加法和加法（CM作为AM的后处理），（iv）用于维修零件的AM，以及（v）混合式机器（单工序）。在某些情况下，混合AM涉及多个AM过程和/或使用多个材料的AM操作，但在其他情况下，它涉及单个AM操作和一个或多个CM过程。

混合AM工艺不同于一般混合制造工艺，主要区别在于混合制造将受控和同时集成的工艺组合到一个新的装置中，以便在单个生产区进行加工。另一方面，混合AM工艺涉及顺序执行的离散操作，例如，在生产CMed基板部件（AM对CM）之后，复杂形状的上部冷却通道的AM。应用混合AM工艺的主要目标是改善零件性能、功能和质量，而混合制造工艺的主要重点是改进工艺。

典型的激光粉末DED工艺示意图

与单个AM工艺相比，混合AM工艺还可以实现大型部件的批量生产，提高精度和几何复杂性，从而改善成品部件的工艺性能和机械性能。研究中提出了一种混合AM工艺，该工艺允许多种沉积工艺的组合，包括使用多种轻质粉末材料和CNC铣削中心。这使得激光合金化热冲压和锻造工具表面的几何形状易于修改，并减少了表面上的磨料磨损。

4．2． 铝合金混合增材制造工艺

本文研究了几种铝合金混合调幅工艺，目的是消除调幅过程中产生的缺陷和其他问题。表3总结了最近开发的铝合金混合调幅工艺的例子，包括涉及的子工艺、使用的合金和取得的好处。最广泛使用的铝合金AM工艺(PBF, DED, SL)已在第2节中进行了综述。其中，SLM、WAAM和挤压是混合am工艺在传统的高强度铝合金制造生产链中占主导地位。开发SLM、WAAM和挤压混合am工艺的主要目标可以概括为:(SLM)消除冶金缺陷和提高机械性能;(WAAM)细化晶粒和消除冶金缺陷;(挤出)实现印刷铝合金层间的理想结合和提高沉积速率。

表3 铝合金混合AM的研究进展。

最近，Wu等人发布了一种新的混合调幅概念，称为激光钨惰性气体(TIG)混合调幅工艺(图12(a))，其中的制造工艺包括选择性激光熔化和钨惰性气体混合。采用该方法，用直径1.2 mm的ER2319铝合金丝制备了AA2219高强度合金试样。微裂纹几乎被消除，在沉积的AA2219试样的截面上检测到很少的微孔(高倍镜下观察到的孔隙率仅为0.8%)。激光- tig混合AM技术几乎消除了微裂纹和微孔隙，并改善了拉伸性能。这些性能的改善归因于加工后在AA2219激光区获得了均匀的铜分布、更细小的共晶和半相干θ′相。

图12 高强度铝合金混合AM工艺示意图:(a)激光- tig混合AM， (b)混合金属挤压&粘结AM

微孔是影响铝合金焊接质量的重要缺陷。为了控制或减少铝合金中孔隙的产生，研究人员致力于开发新的混合AM工艺来控制和减少高强度铝合金中孔隙的发生。因此，混合waam工艺在高强度铝合金中得到了广泛的应用。研究中提出了一种混合- waam工艺，在金属沉积过程中，通过冷金属转移电弧的极性交替振动AA2319工件。由于工件的同时振动和弯曲应力的引入，孔隙率密度从6.66%下降到1.52%。与变形的AA2319相比，振动试样晶粒细化了22.5%，抗拉强度提高。

在最近的一项研究中，WAAM和激光冲击喷丸相结合，以细化晶粒为目标生产出AA2319。采用混合am工艺后，平均晶粒尺寸由59.7 μm减小到46.7 μm，屈服强度提高了72%。研究表明，激光冲击强化是提高waam加工高强度铝合金力学性能的一种有效方法。

研究中提出了一种名为混合金属挤压&粘结的新概念(图12(b))，它包括对接焊接和挤压AM。该工艺能够以相对较高的沉积速率生产出近乎网状的结构，从而使固结固态原料与基体的金属结合。在研究中设计的挤出机使现有的和固有的氧化物分散在基体和原料上或内部。由于这种分散的结果，理想的键合压力达到了金属键合表面的区域。

Gu等开发了一种混合-WAAM工艺，包括WAAM、层间轧制和热处理，以提高使用WAAM形成的铝合金的机械性能。在他们的研究中，通过层间轧制，Al-Mg4.5和Al-Cu6.3合金WAAM沉积过程中形成的微孔减少。轧制后，两种合金的微孔数量和尺寸均有所减少。在一些研究中，混合AM涉及材料杂交以实现预期的力学和微观组织性能的AMed铝零件。例如，混合am工艺被提出用于制备功能梯度Al-Ti6Al4V，包括SLM和冷喷涂。在本研究中，虽然观察到大量孔隙，但对断口进行的分析表明，Al-Ti6Al4V零件具有高质量的内聚和粘接。

5. 讨论

对铝合金混合am的研究少于钢和复合基材料。这一缺陷可能与以下情况有关:(i)在合并AM技术方面存在困难，(ii)由于冶金缺陷而限制了铝合金的适用性，(iii)缺乏AM和混合AM加工的铝航空航天部件的认证，限制了对这些部件采用AM工艺。基于对最近发展起来的铝合金混合AM工艺的回顾，可以看到这些工艺将AM工艺融入到传统的生产链中，有效地克服了特定的缺点。具体地说，SLM混合am工艺可以有效地控制和消除冶金缺陷，实现全致密(无缺陷)铝件，提高机械性能。WAAM混合am工艺是应用最广泛的混合am工艺类型之一，可以细化晶粒尺寸并消除冶金缺陷。这种混合调幅工艺类型也可以在未来混合调幅应用中用于修复铝合金表面缺陷。挤压混合am工艺能够改善铝合金的结合条件。

然而，在高强度铝合金的快速凝固过程中，由于过程环境中的氧与铝表面的化学相互作用，导致了大量氧化垢的形成。由于氧化皮垢还没有完全消除，即使使用混合am溶液，连续印刷的铝层之间也不能实现良好的粘结。最近开发的挤压混合AM工艺能够实现相对较高的沉积速率，这是传统制造工艺大大优于AM的领域之一。由于这些有前途的和未来的发展，使用混合调幅解决方案来克服高强度铝合金的挑战，预计在高强度铝合金中采用调幅工艺将会增加，从而导致全球调幅市场的增长。

6. 结论

本文综述了用于高强度铝合金的调质工艺、调质相关缺陷和问题，以及克服这些缺陷和问题的方法。它特别关注为高强度铝合金开发的混合am工艺。可以得出以下结论:

(1）主要缺陷和问题包括挥发性合金元素的开裂、气孔、球化、卫星生成、氧化和蒸发。尽管已经做出了很大的努力来克服传统AM工艺的缺陷和局限性，但只有几乎(在95%到99%之间)无缺陷的AMed部件可以实现。

（2）近年来，学术界和工业界研究出了许多抑制AM缺陷的方法，扩大了AM在高强度轻量化铝合金中的应用范围。包括波音和空客在内的领先航空航天公司已经对混合调频解决方案进行了投资，旨在尽可能减少或消除高速和大容量调频过程中的缺陷，同时允许短的交付时间。

（3）混合调幅工艺在过去十年中被越来越多地用于克服传统调幅的局限性和缺陷。混合工艺已被发现在以下方面是有效的:(i)最小化或消除AM中出现的缺陷，(ii)实现更好的机械性能和最终部件的功能比传统AM可能，(iii)改善工艺性能和(iv)消除AM相关的缺陷。然而，混合调幅过程也有其局限性，如大量的工具，较高的设备成本和较长的处理时间，因为涉及的过程的数量。因此，经济分析需要作为计划提出的混合调幅过程的一部分进行。

(4)作为未来的发展，混合调幅工艺可用于大型多材料和/或不同原材料的航空航天部件的不同部分，以更好地定制组件的工程需求，如承重。混合调幅工艺还可以作为数字化自动化和机器人辅助工艺进一步集成到工业4.0中，这可以使刚刚建成的混合调幅加工部件在同一建筑体积内组装。

（5）在未来十年，随着混合调幅工艺的发展，高强度铝合金调幅技术有望成为航空航天工业的一种更有效的技术。因此，混合调幅工艺可能成为一种更合适的方法来生产高度固结和无冶金缺陷的轻量化高强度铝合金部件，从而减少飞机从摇篮到舱门的环境足迹。

来源：Challenges in additive manufacturing of high-strength aluminiumalloys and current developments in hybrid additive manufacturing，InternationalJournal of Lightweight Materials and Manufacture，https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.12.004

参考文献：J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar，Review ofadditive manufacturing technologies and applications in the aerospace industry，F.H. Froes, R. Boyer (Eds.), AdditiveManufacturing for the Aerospace Industry, Elsevier, UnitedStates (2019), pp. 7-31, 10.1016/C2017-0-00712-7