研究背景

7xxx系列铝合金，如7075铝合金，具有重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能优异等特点，是航空航天和汽车工业的高性能工程合金。随着航空航天工业的蓬勃发展，传统的加工方法，如铸造、激光焊接、塑料加工等，越来越难以制造出具有优异力学性能的复杂对应物。

激光粉末床熔合（LPBF）是一种典型的增材制造（AM）技术，利用三维（3D）计算机模型控制的逐层沉积过程，生产具有复杂几何形状的全致密材料。得益于LPBF的加工灵活性和铝合金的重要性，它们的结合在进一步扩大高性能铝合金的应用方面非常有吸引力和前景。高质量的（近）共晶Al-Si合金（如AlSi10Mg，AlSi12等）样品已成功地用LPBF制备，因为这些合金具有良好的铸造性和可焊性。

然而，用L-PBF制备7xxx铝合金仍然面临着巨大的挑战。7xxx系列铝合金固有的一些物理特性，如流动性差、反射率高、导热系数高、凝固收缩率高等，由于其高开裂倾向，其SLM加工性较低。这是因为SLM过程中激光束产生的熔池（MPs）中的快速加热、定向热提取和快速凝固（10−1 -101 K/m）以及大热梯度（~106 K/m）等特殊的热历史。特别是，高冷却速率（103 ~ 106 K/s）和大的热梯度导致高的热应力，从而导致开裂。而与热梯度与凝固速率（即gv）之比较大相关的定向凝固特征导致凝固时在MPs内部甚至穿过MPs形成大的、有织构的柱状晶粒。这种微观组织促使裂纹沿晶界扩展。在连续的打印层上产生柱状晶粒和热撕裂裂纹，严重阻碍了LPBF构建的7xxx系列铝合金的成熟和充分发挥其潜力。

实验成果

澳大利亚昆士兰大学团队另辟蹊径，提出了一种结合基体改性和添加物处理的新策略，在宽加工窗口下使用SLM制备无裂纹、致密的高强度7075合金。在7075合金粉末中添加1wt % Ti亚微米颗粒，使Al晶粒细化，有效提高抗裂性能。此外，对SLM衬底进行了改性，从而允许将隔热材料（如蛭石）集成到衬底中。结果表明，熔池冷却速率和凝固过程中的热梯度显著降低。这直接导致了熔池内热应力的减少。采用基体改性和Ti孕育相结合的方法，在LPBF制备的7075合金中获得了无裂纹的细等轴组织，其力学性能与变形后的7075合金相当。

相关成果以“A novel strategy to additively manufacture 7075 aluminium alloy with selective laser melting”为题发表于金属材料领域顶级期刊《Materials Science ＆ Engineering A》。该策略可应用于其他增材制造工艺性较低的工程合金的单轴加工，为扩大单轴加工的工业应用奠定了基础。

实验结果

基板在SLM加工过程中充当散热片。因此，冷却速率和热梯度可以通过降低基板的导热性来减少热释放来交替地降低。 

商用SLM125HL系统的基板

将7075合金粉末与1wt %的Ti颗粒混合，制备Ti- 7075合金（简称Ti- 7075），以保证Ti颗粒在7075合金粉末表面均匀分布。 

TI-7075粉末的形貌

OM图可以观察到，在正常Al基体上制备的所有7075样品都具有裂纹和/或气孔的特征，这些裂纹在所有样品中几乎是直的，并且与BD平行，在图4a中用淡黄色箭头标记。根据激光能量密度的不同，裂纹的长度从数百微米到毫米不等，其比例从1.2%到2.5%不等（图b）。当能量密度为35 J/mm3或47 J/mm3时，7075试样的裂缝密度较低，但在能量密度≤83 J/mm3时，试样的裂缝比例较高。当激光能量密度增加到111 J/mm3以上时，虽然裂纹长度和裂纹分数降低，但气孔率升高，使LPBF制备的7075合金整体密度降低，如图4a和c所示。这与前人对LPBF制备的2xxx、5xxx和7xxx系列铝合金的研究结果一致。低能量密度和高能量密度都会导致LPBF制备铝合金的高孔隙。当能量密度适中（83 ~ 111 J/mm3）时，合金孔隙率最低。

不同工艺参数下构建的SLM样品的致密化行为

EBSD逆极图（IPF）图可以清楚地观察到，基体改性对合金组织的影响很小，而接种1 wt% Ti则显著细化了slm制备合金中的Al晶粒。图a和b显示，7075合金和7075- as合金均具有沿BD外延生长的大柱状晶粒，其末端长度可达数百微米。IPF颜色表明，这些柱状颗粒大部分沿BD具有较强的织构[001]，这与先前对其他增材制造的立方结构材料的研究一致。

LPBF制造合金的EBSD逆极图（IPF）图，沿其纵向截面观察

扫描电镜背向散射图像显示，沿Al晶界有极细的金属间网络（厚度约为100 nm）， Al晶界内有一些纳米尺度的金属间颗粒（尺寸约为100 nm），用黄色箭头表示。根据图b所示的能谱图，这些金属间网络和纳米颗粒是富集Zn/Cu/Mg的化合物。这些金属间化合物被认为是η-Mg(Zn,Cu,Al)2相，在AM或传统铸造工艺制备的7xxx合金中经常被报道。此外，在Al晶粒中心可以观察到尺寸为300-500 nm的立方颗粒（由紫色箭头指向）（图a）。能谱图证实这些纳米颗粒富含Ti，表明它们是在SLM加工过程中原位形成的。此外，利用能谱分析仪对Al晶粒中的溶质元素进行了定量分析。图c所示的能谱图表明，α-Al基体中主要溶质成分为Zn、Mg和Cu。而在当前能谱仪的检测限（~0.1 wt%）内，未检测到Ti溶质。

TI-7075-AS合金的SEM显微图及相应的EDS分析

采用拉伸试验对slm制备的TI-7075-AS合金的力学性能进行了表征。对于其他合金，拉伸试验不适用，因为它们的大多数拉伸试样在拉伸试验机的试样切片或夹紧过程中断裂。这表明由于裂纹比例高，这些合金具有明显的脆性，这与先前的研究一致。图a为TI-7075-AS合金试样在原状和T6条件下的典型工程应力-应变曲线。可以清楚地观察到，该合金具有各向同性的力学性能。合金的屈服强度（YS）为190±8 MPa，极限抗拉强度（UTS）为291±19 MPa，断裂伸长率（EL）为7.9±2.9%。经T6热处理后，合金的力学性能得到了显著改善，其力学性能表现为YS（420±7 MPa）和UTS（503±6 MPa）显著提高，EL保持在7.5±1.2%。这归因于该合金在T6热处理过程中显著的析出强化。由于本工作的核心是通过新策略消除裂纹，因此本文不详细介绍TI-7075-AS合金在T6处理过程中的组织演变和析出强化机制。

力学性能表征

7075和TI-7075合金均为典型的易热裂合金体系，冻结范围在~140℃，凝固后期温度急剧下降（𝑓S≥0.8），如图的Scheil-Gulliver凝固曲线所示。这表明7075合金体系的最终凝固阶段较长，这使得液体薄膜中有更多的时间积累应变，增加了SLM加工过程中的热撕裂倾向。

Scheil-Gulliver凝固曲线

在普通铝基板上，每条激光轨迹的温度分布相似。在激光光斑处（即MP中心）温度达到~2000°C的最大值，随后由于激光束的高斯热源的作用，随着距离激光光斑的增加，温度急剧下降。随着激光轨迹的增加，最高温度略有升高，这是由于先前凝固区域的预热作用所致。除激光加热区域外，其余区域包括未加热的粉床和基材相对“冷”，温度为200℃（预热温度）。这表明，在激光离开后，大部分热量被从衬底传导出去，没有明显的积累。这归因于Al的高导热系数（240 W/m·K）。

激光扫描两种基材粉末床上第1、3、5、7道时的温度分布

结论

本文提出了一种将孕育处理与基体改性相结合，有效提高高强度7075铝合金slm加工性能的新策略。这使得制造无裂纹，高密度的7075合金具有改善的机械性能，没有明显的成分偏差。

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