《Materials Science & Engineering A》刊登了中南大学相关团队的综述成果：增材制造铝合金的全面概述：类别，结构，性能和缺陷消除 (A comprehensive overview of additive manufacturing aluminum alloys: Classifications, structures, properties and defects elimination)，该综述系统梳理了铝合金在增材制造中的最新研究进展。文章首先概述了常见AM技术（如SLM、WAAM、LMD等）及其与传统制造方式的区别。随后，基于铝合金的组成与性能特征，深入分析了八类典型铝合金体系（包括Al-Si、Al-Mg-(Sc,Zr)、Al-Cu-(Mg)、Al-Zn-Mg-(Cu)、Al-Fe、Al-Ni、Al-Mn 以及复合材料）在增材制造中的适应性、显微结构演化、强化机制与加工挑战。
文章特别强调了不同合金体系中晶粒粗大、柱状晶、热裂纹、孔隙率高、各向异性强等关键缺陷的形成机制与消除策略，如通过合金微量元素调控（如Sc、Zr、Er）、热处理优化、激光能量密度调控、打印路径设计等手段实现组织细化和力学性能提升。在性能层面，文章比较了不同合金在拉伸性能、热强性、疲劳性能、蠕变与腐蚀性能上的差异，指出某些添加Sc/Zr的Al-Mg系或Al-Zn-Mg-Cu系合金的屈服强度可超过650 MPa，具备优异的综合性能。针对增材构件的水平/垂直方向性能差异与热处理前后性能变化，文中提供了系统的数据对比与机制分析。最后，文章展望了AM铝合金未来的发展方向，提出亟需解决的问题包括高强合金的热裂纹抑制、组织各向异性的调控、多尺度模拟与性能预测方法的建立，以及适用于航空航天与高可靠性装备的新型高性能铝合金体系开发。
内容简介
增材制造（AM）技术是从Charles Hull于1984年首创的立体光刻设备（SLA）技术发展而来。这种创新的制造方法通过逐层添加材料来构筑物体，与传统的切削、铣削等减材制造方法形成鲜明对比。AM技术的发展主要可分为四个阶段：萌芽阶段、早期阶段、中期阶段和快速发展阶段。图1概述了AM技术在铝合金中的发展简史。从2011年首次将铝合金应用于3D打印，到Scalmalloy®合金的开发和晶粒细化剂的应用，再到屈服强度超过550 MPa的Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的开发，以及近年来超高强铝合金的成功报道。
图1 AM铝合金的发展简史
铝合金AM技术根据能量来源主要分为三种类型：激光AM(LAM)，电子束AM（EBAM）和电弧AM(WAAM)，LAM技术具体包括SLM、SLS和LMD等工艺，EBAM技术包括EBPBF、EBF3以及DED的电子束变体，WAAM技术则包括GMAW、GTAW和PAW等，具体分类和工艺如图2所示。
图2根据能量来源对铝合金AM技术的具体分类和工艺方法
Al-Si，Al-Mg，Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等合金是AM领域使用最早的一批合金，后续也发展到其他合金，常见的增材制造铝合金种类如表1-表8所示。但这些合金由于粗大的柱状晶和显著的双峰结构使其无法满足使用需求。为了解决这一问题，通过引入微量元素来改善合金的结构。图3展示了通过添加不同元素改善合金微观组织的图像，Sc、Zr和Mn等元素的引入使合金结构得到了显著的改善，促使微观结构从柱状晶到等轴状晶的转变，显著减少甚至消除了双峰结构的出现。
Al-Si系列合金通常含有7%至12%的Si，特别适合AM技术。其中，AlSi10Mg合金以其独特的优势成为工业应用研究的焦点。Si的加入不仅提高了铝的流动性，而且有效地减少了热裂的发生，是优化合金可打印性的关键因素。此外，AlSi10Mg合金中含有Mg，这种成分不仅保留了铝的轻质特性和Si的强化作用，而且在快速凝固过程中促进了细小均匀组织的形成。Mg的存在通过形成硬化相（如Mg2Si）进一步提高了合金的强度和硬度，这对于高性能工程应用尤为重要。
表1增材制造技术中常见的几种Al-Si合金
虽然铝硅合金已广泛应用于增材制造技术，但这些合金有一个显著的缺点：它们的机械性能有限（通常抗拉强度低于400MPa），使它们不足以满足航空航天工业的要求。因此，迫切需要开发新型铝合金。钪（Sc）和锆（Zr）改性铝镁合金是这些高性能铝合金的优良替代品。铝镁合金以其良好的耐腐蚀性、优良的可焊性和中等强度而闻名，已广泛应用于航空航天和海事领域。在Al-Mg合金中添加少量的Sc和Zr可以显著细化晶粒尺寸，形成高密度的纳米级Al3（Sc, Zr）相。这些变化显著提高了合金的机械性能和热稳定性。
表2增材制造技术中常见的几种Al-Mg-(Sc, Zr)合金
Al-Cu-(Mg)系列合金代表热处理铝合金，以其高比强度，良好的耐腐蚀性和低密度而闻名。这些特性使其广泛应用于汽车和航空航天等领域。近年来，Al-Cu-(Mg)合金常采用WAAM法制备和加工，取得了良好的效果。这种方法利用了这些合金的固有优势，有效地生产了利用其强度和轻量化特性的部件。WAAM技术与Al-Cu-(Mg)合金的成功集成不仅强调了AM的多功能性，而且增强了这些要求苛刻的行业中关键高性能部件生产的创新潜力。
表3增材制造技术中常见的几种Al-Cu-(Mg)合金
在铝合金领域，Al-Zn-Mg-Cu合金因其极高的强度、良好的可加工性和优异的耐腐蚀性而受到学术界和工业界的广泛关注。然而，传统的铸造和变形工艺难以制造形状复杂、组织超细晶粒的Al-Zn-Mg-Cu合金零件，这极大地限制了其更广泛的市场应用。
表4增材制造技术中常见的几种Al-Zn-Mg-Cu合金
Al-Fe合金因其轻质、高强度、耐磨性、抗蠕变性和成本效益而备受关注。铁的加入促进了Al-Fe金属间化合物的形成，从而提高了这些铝合金在室温和高温下的性能。例如，Allied Signal开发的Al-Fe-V-Si系列合金具有体心立方（BCC） Al12(Fe， V)3Si相，其析出强化机制使其抗拉屈服强度达到407 MPa。洛克希德加州公司已经在Al-Fe-Ce合金中实现了422 MPa的抗拉强度。最近，研究人员还强调，纳米亚稳Al6Fe相具有良好的微观结构，有助于提高使用LPBF制造的Al-Fe合金的力学性能。
表5增材制造技术中常见的几种Al-Fe合金
Al-Ni和Al-Mn合金以其优异的力学性能和耐腐蚀性在增材制造领域得到了广泛的应用。随着增材制造技术的快速发展，铝锰合金的应用已经从简单的原型制造扩展到复杂功能部件的制造。研究人员已经能够通过在打印过程中精确控制温度和速度来显著提高打印部件的强度和精度。此外，SLM和EBM等新型打印技术进一步拓宽了Al-Mn合金在航空航天、汽车和医疗设备等行业的应用。这些技术的进步不仅扩大了材料的应用范围，也推动了材料科学领域的创新和技术革命。
表6增材制造技术中常见的几种Al-Ni合金
表7增材制造技术中常见的几种Al-Mn合金
金属基复合材料是近年来材料科学和制造技术领域的一项重大进展。由于其良好的可加工性和优异的机械性能，它们在AM行业中获得了越来越多的兴趣。粉末冶金和传统金属成形技术的进步表明，增强颗粒的存在对析出动力学以及增强颗粒与析出相的协同强化作用起着至关重要的作用。
表8增材制造技术中常见的几种铝基复合材料
图3不同元素的添加对不同AM铝合金显微组织的影响
然后，对常见AM铝合金的静力学性能、耐热性能、疲劳性能、蠕变性能、腐蚀性能、冲击性能和摩擦磨损性能进行详细、全面的概述。其中，常见AM铝合金的室温力学性能汇总如表9所示，并将表内数据绘制成聚类图，从而更加直观明了地观察到不同种类、不同增材制造方法下合金的力学性能分布情况，具体如图4所示。
表9常见AM铝合金室温力学性能汇总表
图4常见AM铝合金室温力学性能汇总
表10-表12分别为几种常见铝合金的水平和垂直方向上的试问力学性能汇总、热处理前后的室温力学性能汇总、耐热性能汇总等。并将其绘制成散点图，如图5-图7所示，更加直观地观察到合金性能分布情况。
表10不同铝合金在水平和垂直方向上的室温力学性能汇总
图5不同铝合金在水平和垂直方向上的室温力学性能汇总
表11不同铝合金热处理前后的室温力学性能汇总
图6不同铝合金热处理前后的室温力学性能汇总：(a)和(b)热处理之前；(c)和(d) 热处理之后
表12几种增材制造铝合金耐热性汇总
图7几种增材制造铝合金耐热性汇总: (a)抗拉强度散点图; (b) 屈服强度散点图; (c) 塑性散点图
针对增材制造铝合金中气孔、裂纹、球化等缺陷的研究领域已经得到了极大的扩展。增强的分析技术加深了对这些缺陷的理解，并促进了对这些缺陷的详细检查，如图8中各种合金的显微结构图像所示。气孔等缺陷，以及未充分熔化的颗粒和残余粉末，通常作为内部微裂纹的成核点，从而降低了合金的机械性能。计算机断层扫描（CT）技术的出现彻底改变了我们在三维上可视化这些缺陷的能力，展示了它们复杂的结构和形态。这一技术进步为这些缺陷的发生和发展以及它们在合金中的微观力学行为提供了更彻底和细致入微的视角。
图8 LPBF制造铝合金样品中形成的各种缺陷SEM照片
接着，以提升AM铝合金性能为目的，总结了粉末原材料、打印参数优化、晶粒细化剂及不同后处理对AM铝合金内部晶粒细化及均匀性的改善作用。微量元素和陶瓷颗粒的添加显著提高了合金的力学性能，包括强度和韧性。此外，晶粒细化剂还有助于稳定熔池，从而减少制造过程中的气孔和裂纹等缺陷，同时优化最终产品的表面质量和几何精度。因此，合理选择和使用晶粒细化剂是设计和优化铝合金增材制造工艺，最终提高制造效率和产品质量的关键策略。图9展示了不同陶瓷颗粒对AM铝合金显微组织的改善效果及机理。
图9不同陶瓷颗粒对增材制造铝合金显微组织的改善
随着AM铝合金的迅速发展，出现了一系列的商用铝合金粉，通过这些合金粉末制造的零部件也越来越多地应用于航空航天、轨道交通等行业。图10展示了AM铝合金零部件的实际应用，具体包括：7075-TC4材料生产的透平压气机轮、©SLM Solutions和Cellcore公司开发的一种火箭推进发动机、奔驰卡车公司使用LPBF生产的Unimog系列车型的各种部件、6061铝合金发动机缸体、LPBF制造的Al6061-RAM2散热器、APWorks公司使用Scalmalloy®合金制作的仿生隔板、A2024-RAM2制成的活塞头、以及3D打印铝合金蜂窝材料换热器。
图10 AM铝合金零部件的实际应用
受自然界巧妙设计的启发，研究人员开发了各种以特殊的能量吸收能力而闻名的新结构，如所示。这些实例包括模仿莲藕内部结构的多孔铁结构，受乌龟坚固外壳启发的梯度泡沫铝，以及模仿竹子弹性结构的梯度多孔铝方管。其他设计包括层状多孔结构泡沫铝，灵感来自丝瓜的海绵状结构，以及以犰狳为模型的致密层状多孔晶格核心结构，这些结构有助于强度和高能量吸收的结合。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
此外，以瓢虫和日本甲虫前翅的内部结构开发了两种新型的仿生多细胞管。叶片中的多孔维管结构增加了叶片承受机械应力的能力，这些以生物为灵感的创新突出了自然智慧与先进工程的融合，以创造在苛刻环境中具有卓越性能的材料和结构。
图11受自然结构启发设计的仿生结构
自20世纪80年代取得重大发展以来，AM技术已广泛应用于各个领域，包括航空航天、医疗、建筑、汽车和消费品等。尽管得到了广泛的应用，但与机械加工、铸造、锻造和焊接等传统加工方法相比，AM的技术成熟度仍有提升的空间。它们面临着一些限制，包括加工速度慢、零件尺寸受限以及可用材料种类有限等。然而，随着技术的不断进步，这些挑战有望逐步得到解决。因此，文章最后强调了铝合金增材制造技术中6个极具潜力的重点发展方向，具体如图12所示。
图12铝合金增材制造技术的重点发展方向
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长三角G60激光联盟 l
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