吳鑫華院士團隊：突破含Sc高強鋁合金大層厚高效率3D打印難題

導讀：含Sc高強鋁合金用于航空航天領域，可達到進一步減重的目的，因為通常3D打印的AlSi10Mg合金屈服強度只有260MPa, 這種新型材料屈服強度大于500Mpa，在保證使用性能的條件下，可大幅減小結(jié)構(gòu)件的材料用量，從而達到減重的目的。

2023年9月8日，南極熊獲悉，針對含Sc高強鋁合金大層厚高效率激光粉末床熔融的最新研究成果“Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion”，于2023年8月29日在《Virtual and Physical Prototyping》（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.6）期刊發(fā)表，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關注。

航空航天結(jié)構(gòu)件由于激光粉末床熔融（LPBF）制備金屬材料層厚較低（一般為30 μm層厚），制備效率低，成本高等問題阻礙了其應用。為了降低 LPBF 制備高強鋁合金的成本，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長吳鑫華院士團隊與北京工業(yè)大學、汕頭大學、澳大利亞伊迪斯·科文大學、澳大利亞Monash大學、東南大學等單位合作開展針對含Sc高強鋁合金大層厚高效率激光粉末床熔融的研究，實現(xiàn)了高強鋁合金大層厚粗粉末粒徑高效率3D打印的突破。據(jù)查，北京工業(yè)大學的張昊（博士研究生）為論文的第一作者，澳大利亞伊迪斯·科文大學張來昌教授與汕頭大學工學院機械工程系的曹晟副教授為論文的通訊作者，吳鑫華院士為論文的共同作者。

△圖1 蘇州倍豐智能科技有限公司生產(chǎn)的激光粉末床 Ampro SP260設備

在制備大層厚過程中，大多數(shù)機器會存在難成型，成型質(zhì)量差問題。相比之下，該工作利用的蘇州倍豐智能科技有限公司產(chǎn)激光粉末床設備Ampro SP260。在使用低成本粗粉的前提下，能夠高效率制備出大層厚的高強 Al-Mn-Sc合金。在 120 μm 層厚的情況下，實現(xiàn)了>99.2% 的相對密度。此外，在后續(xù)熱處理后試樣中，屈服強度30 μm 層厚為502MPa，120 μm 層厚為472MPa。120 μm 層厚的樣品仍然表現(xiàn)出較高的拉伸屈服強度和約 10% 的延伸率。

這項研究成功地證明了在 LPBF 工藝中采用大層厚高效率制造高強 Al-Mn-Sc 合金的可行性，而用低成本粗粉以大層厚高效率打印高強 Al-Mn-Sc 合金航天航空結(jié)構(gòu)件的解決方案，不但增加了高強 Al-Mn-Sc 合金在航空航天的應用的前景，更加強了3D打印同行的成本和技術的競爭力。

△圖 2. 激光粉末床制備樣品中的缺陷三維可視化（a 和 c）和垂直投影觀察（b 和 d），顯示了 30 μm（a-b）和 120 μm（c-d）樣品的 μ-CT 圖像重建的孔隙形態(tài)和分布。

這項工作獲得了不同層厚（30 μm、60 μm、90 μm 和 120 μm）條件下激光粉末床制備 Al-Mn-Sc 合金的加工工藝窗口，并研究了熱處理試樣的微觀組織和機械性能。論文得出以下結(jié)論：

(1) 在所有層厚條件下試樣均達到了較高的相對致密度。層厚為 120 μm 試樣的相對密度為 99.2%。
(2) 經(jīng) LPBF 打印和后熱處理的 Al-Mn-Sc 合金具有典型的雙峰等軸晶柱狀晶顯微組織。等軸晶粒和柱狀晶粒的尺寸隨層厚的增加而略有增大，這歸因于大層厚時冷卻速度的降低。
(3) 這項研究提供了一種大層厚高效率LPBF制造的方法，在120 μm 層厚的條件下制備出強度高（屈服強度為 472 MPa）、延展性好（斷后延伸率為 9.8%）的 Al-Mn-Sc 合金。

△圖 3. (a) 不同層厚的熱處理后 Al-Mn-Sc 合金的工程應力-應變曲線，以及試樣的拉伸斷裂面：(b)-(c) 30 μm和 (d)-(e) 120 μm。

△圖 4. (a) Al-Mn-Sc合金與其他激光粉末床制備的鋁合金打印速率；（b）Al-Mn-Sc與其他激光粉末床制成的鋁合金的屈服強度。

論文原文

Zhang H, Zhang L C, Liu H Y, Niu X D, Lan M C, Zhang W Z, Jin X J, Chu F Z, Wu X H, Cao S. Strong and ductile Al–Mn–Sc alloy achieved in fabrication-rate enhanced laser powder bed fusion[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18(1): e2250769.
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769

作者簡介

吳鑫華，曾任蒙納士大學副校長、現(xiàn)為蘇州大學金屬材料與智能制造研究院院長、講席教授、博士生導師，澳大利亞技術科學與工程院院士，蘇州倍豐智能科技有限公司董事長，是世界公認的3D打印技術開創(chuàng)者之一。在3D打印的設計、材料、工藝和性能優(yōu)化領域做出了杰出貢獻，實現(xiàn)了金屬3D打印從科學原創(chuàng)性概念到應用上可行的生產(chǎn)制造。從事航空材料和3D打印研究30余年致力于金屬3D打印基礎研究和應用推廣，創(chuàng)立了3D打印材料和工藝的系統(tǒng)性研究方法，開發(fā)了世界首個3D打印專用高強鋁合金和超高強鈦合金；承擔國際重大科研項目60余項，和世界20多家國際著名航空企業(yè)（包括英國羅爾斯－羅伊斯，空客，龐巴迪，賽峰（法國和中國），中國商飛，中國航發(fā)，中國重燃和中廣核）有過長期的戰(zhàn)略合作，解決航空、燃機、核電領域的高端制造難題。開創(chuàng)國內(nèi)民航金屬3D打印鈦合金零件適航認證和裝機應用先河；為中國重燃“兩機重大專項”項目解決燃燒室噴嘴、透平葉片等關鍵部件3D打印難題；實現(xiàn)國內(nèi)核電領域3D打印技術首次成果認定并示范應用。出版5部著作，發(fā)表210余篇SCI 期刊論文，他引11081次，H指數(shù)58，授權(quán)25項國際和6項國內(nèi)專利。

張來昌，澳大利亞埃迪斯科文大學終身教授。張來昌教授長期從事新型材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，主要包括：亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能；多尺度材料的合成與性能；3D打印技術在新材料中的應用；新型功能材料。已主持和參加澳大利亞研究理事會項目等研究項目20余項。迄今為止，他已經(jīng)出版英文專著2本、書籍章節(jié)19章，發(fā)表在Advanced Materials（《先進材料》，影響因子21.95）、Advanced Functional Materials（《先進功能材料》，影響因子13.32）、Acta Materialia（《材料學報》，影響因子6.036）、Scripta Materialia （《材料快報》，影響因子4.163）等國際著名學術期刊發(fā)表SCI論文200余篇，約15篇學術文章被評為ESI“熱點文章”及ESI“高被引用文章”。部分研究成果已經(jīng)在澳大利亞國家電視臺（ABC）新聞頻道直播采訪、我國中央電視臺（CCTV-4）和新華社等知名媒體報道。

曹晟，汕頭大學工學院機械工程系副教授，主要研究領域為：金屬材料增材制造技術。本科畢業(yè)于中南大學，博士畢業(yè)于澳大利亞Monash大學，先后在澳大利Monash大學與英國曼徹斯特大學從事博士后研究。2021年以卓越人才計劃-優(yōu)秀人才入職汕頭大學。主持項目包括國家自然科學基金(青年科學基金項目)、廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項與廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目（自然科學）等課題。目前在Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Materials Science & Technology等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文四十余篇，Google Scholar 引用1200余次，h-index 16, 授權(quán)專利6項。

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蘇州倍豐智能科技有限公司，坐落于富饒美麗的蘇州，由鈦合金和增材制造專家一一吳鑫華院士一手創(chuàng)立，是一家專業(yè)從事工業(yè)級金屬3D打印設備、打印材料工藝研發(fā)和銷售的高新技術企業(yè)，同時為客戶提供3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈技術咨詢和助力科研服務。目前，蘇州倍豐金屬3D打印設備覆蓋SP100-1200mm全幅面，實現(xiàn)自主生產(chǎn)從設計到軟件完全自主產(chǎn)權(quán)的共6個尺寸大小的打印主機；配置全流程惰性氣氛保護且密封適合國際適航要求的3D打印金屬粉末前、后處理系統(tǒng)。同時公司開放擁有獨特的復合增材制造裝備、激光焊機、其他焊機、相關產(chǎn)品的智能制造裝備，科研服務及耗材相關技術的咨詢等服務項目。合作歡迎致電：4001185365。