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研究背景
7xxx系列鋁合金，如7075鋁合金，具有重量輕、強度高、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能優異等特點，是航空航天和汽車工業的高性能工程合金。隨著航空航天工業的蓬勃發展，傳統的加工方法，如鑄造、激光焊接、塑料加工等，越來越難以制造出具有優異力學性能的復雜對應物。
激光粉末床熔合（LPBF）是一種典型的增材制造（AM）技術，利用三維（3D）計算機模型控制的逐層沉積過程，生產具有復雜幾何形狀的全致密材料。得益于LPBF的加工靈活性和鋁合金的重要性，它們的結合在進一步擴大高性能鋁合金的應用方面非常有吸引力和前景。高質量的（近）共晶Al-Si合金（如AlSi10Mg，AlSi12等）樣品已成功地用LPBF制備，因為這些合金具有良好的鑄造性和可焊性。
然而，用L-PBF制備7xxx鋁合金仍然面臨著巨大的挑戰。7xxx系列鋁合金固有的一些物理特性，如流動性差、反射率高、導熱系數高、凝固收縮率高等，由于其高開裂傾向，其SLM加工性較低。這是因為SLM過程中激光束產生的熔池（MPs）中的快速加熱、定向熱提取和快速凝固（10?1 -101 K/m）以及大熱梯度（~106 K/m）等特殊的熱歷史。特別是，高冷卻速率（103 ~ 106 K/s）和大的熱梯度導致高的熱應力，從而導致開裂。而與熱梯度與凝固速率（即gv）之比較大相關的定向凝固特征導致凝固時在MPs內部甚至穿過MPs形成大的、有織構的柱狀晶粒。這種微觀組織促使裂紋沿晶界擴展。在連續的打印層上產生柱狀晶粒和熱撕裂裂紋，嚴重阻礙了LPBF構建的7xxx系列鋁合金的成熟和充分發揮其潛力。
實驗成果
澳大利亞昆士蘭大學團隊另辟蹊徑，提出了一種結合基體改性和添加物處理的新策略，在寬加工窗口下使用SLM制備無裂紋、致密的高強度7075合金。在7075合金粉末中添加1wt % Ti亞微米顆粒，使Al晶粒細化，有效提高抗裂性能。此外，對SLM襯底進行了改性，從而允許將隔熱材料（如蛭石）集成到襯底中。結果表明，熔池冷卻速率和凝固過程中的熱梯度顯著降低。這直接導致了熔池內熱應力的減少。采用基體改性和Ti孕育相結合的方法，在LPBF制備的7075合金中獲得了無裂紋的細等軸組織，其力學性能與變形后的7075合金相當。
相關成果以“A novel strategy to additively manufacture 7075 aluminium alloy with selective laser melting”為題發表于金屬材料領域頂級期刊《Materials Science ＆ Engineering A》。該策略可應用于其他增材制造工藝性較低的工程合金的單軸加工，為擴大單軸加工的工業應用奠定了基礎。
實驗結果
基板在SLM加工過程中充當散熱片。因此，冷卻速率和熱梯度可以通過降低基板的導熱性來減少熱釋放來交替地降低。
商用SLM125HL系統的基板
將7075合金粉末與1wt %的Ti顆?；旌希苽銽i- 7075合金（簡稱Ti- 7075），以保證Ti顆粒在7075合金粉末表面均勻分布。
TI-7075粉末的形貌
OM圖可以觀察到，在正常Al基體上制備的所有7075樣品都具有裂紋和/或氣孔的特征，這些裂紋在所有樣品中幾乎是直的，并且與BD平行，在圖4a中用淡黃色箭頭標記。根據激光能量密度的不同，裂紋的長度從數百微米到毫米不等，其比例從1.2%到2.5%不等（圖b）。當能量密度為35 J/mm3或47 J/mm3時，7075試樣的裂縫密度較低，但在能量密度≤83 J/mm3時，試樣的裂縫比例較高。當激光能量密度增加到111 J/mm3以上時，雖然裂紋長度和裂紋分數降低，但氣孔率升高，使LPBF制備的7075合金整體密度降低，如圖4a和c所示。這與前人對LPBF制備的2xxx、5xxx和7xxx系列鋁合金的研究結果一致。低能量密度和高能量密度都會導致LPBF制備鋁合金的高孔隙。當能量密度適中（83 ~ 111 J/mm3）時，合金孔隙率最低。
不同工藝參數下構建的SLM樣品的致密化行為
EBSD逆極圖（IPF）圖可以清楚地觀察到，基體改性對合金組織的影響很小，而接種1 wt% Ti則顯著細化了slm制備合金中的Al晶粒。圖a和b顯示，7075合金和7075- as合金均具有沿BD外延生長的大柱狀晶粒，其末端長度可達數百微米。IPF顏色表明，這些柱狀顆粒大部分沿BD具有較強的織構[001]，這與先前對其他增材制造的立方結構材料的研究一致。
LPBF制造合金的EBSD逆極圖（IPF）圖，沿其縱向截面觀察
掃描電鏡背向散射圖像顯示，沿Al晶界有極細的金屬間網絡（厚度約為100 nm）， Al晶界內有一些納米尺度的金屬間顆粒（尺寸約為100 nm），用黃色箭頭表示。根據圖b所示的能譜圖，這些金屬間網絡和納米顆粒是富集Zn/Cu/Mg的化合物。這些金屬間化合物被認為是η-Mg(Zn,Cu,Al)2相，在AM或傳統鑄造工藝制備的7xxx合金中經常被報道。此外，在Al晶粒中心可以觀察到尺寸為300-500 nm的立方顆粒（由紫色箭頭指向）（圖a）。能譜圖證實這些納米顆粒富含Ti，表明它們是在SLM加工過程中原位形成的。此外，利用能譜分析儀對Al晶粒中的溶質元素進行了定量分析。圖c所示的能譜圖表明，α-Al基體中主要溶質成分為Zn、Mg和Cu。而在當前能譜儀的檢測限（~0.1 wt%）內，未檢測到Ti溶質。
TI-7075-AS合金的SEM顯微圖及相應的EDS分析
采用拉伸試驗對slm制備的TI-7075-AS合金的力學性能進行了表征。對于其他合金，拉伸試驗不適用，因為它們的大多數拉伸試樣在拉伸試驗機的試樣切片或夾緊過程中斷裂。這表明由于裂紋比例高，這些合金具有明顯的脆性，這與先前的研究一致。圖a為TI-7075-AS合金試樣在原狀和T6條件下的典型工程應力-應變曲線?？梢郧宄赜^察到，該合金具有各向同性的力學性能。合金的屈服強度（YS）為190±8 MPa，極限抗拉強度（UTS）為291±19 MPa，斷裂伸長率（EL）為7.9±2.9%。經T6熱處理后，合金的力學性能得到了顯著改善，其力學性能表現為YS（420±7 MPa）和UTS（503±6 MPa）顯著提高，EL保持在7.5±1.2%。這歸因于該合金在T6熱處理過程中顯著的析出強化。由于本工作的核心是通過新策略消除裂紋，因此本文不詳細介紹TI-7075-AS合金在T6處理過程中的組織演變和析出強化機制。
力學性能表征
7075和TI-7075合金均為典型的易熱裂合金體系，凍結范圍在~140℃，凝固后期溫度急劇下降（𝑓S≥0.8），如圖的Scheil-Gulliver凝固曲線所示。這表明7075合金體系的最終凝固階段較長，這使得液體薄膜中有更多的時間積累應變，增加了SLM加工過程中的熱撕裂傾向。
Scheil-Gulliver凝固曲線
在普通鋁基板上，每條激光軌跡的溫度分布相似。在激光光斑處（即MP中心）溫度達到~2000°C的最大值，隨后由于激光束的高斯熱源的作用，隨著距離激光光斑的增加，溫度急劇下降。隨著激光軌跡的增加，最高溫度略有升高，這是由于先前凝固區域的預熱作用所致。除激光加熱區域外，其余區域包括未加熱的粉床和基材相對“冷”，溫度為200℃（預熱溫度）。這表明，在激光離開后，大部分熱量被從襯底傳導出去，沒有明顯的積累。這歸因于Al的高導熱系數（240 W/m·K）。
激光掃描兩種基材粉末床上第1、3、5、7道時的溫度分布
結論
本文提出了一種將孕育處理與基體改性相結合，有效提高高強度7075鋁合金slm加工性能的新策略。這使得制造無裂紋，高密度的7075合金具有改善的機械性能，沒有明顯的成分偏差。
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