本期，3D科学谷以先前调查的结果为根本，揭示 Scalmalloy® 的裂纹扩展曲线类似于与广泛用于汽车工业和海运船舶的铝合金 AA5754 和 AA6061-T6 干系的裂纹扩展曲线。
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发展中的高强度铝合金
根据吴鑫华院士，高强度3D打印铝合金在航天制造领域的运用尤为主要，紧张目标是实现航天器减重以及缩短交付周期，从而降落综合生产本钱、提升综合效益。高强度3D打印铝合金可使航天器零件减重20-90%不等，加工周期缩短3-12个月不等。范例运用包括：卫星射频阵列天线支架，耦合震撼阻尼器，空间站中多种支架构件如：导轨支架、测控天线支架。
无论是焊接工艺还是选区激光熔化工艺，产生热裂纹的缘故原由大体相似。在这两种情形下，工艺参数都会引起热应力，这是造成裂纹的关键成分。然而通过工艺参数掌握难以实现对热应力的掌握。要想显著降落热应力，就须要大幅降落温度梯度，而在选区激光熔化工艺中，无法通过工艺参数或环境的改变实现这一目标。在热处理过程中，用于产生强化相的合金元素常日会增加凝固温度范围，在之前的研究中，这一点也是十分不利的。
近年来，材料科学界的研究重点逐渐转向开拓适宜 LPBF 工艺独特条件的新型高性能合金，合金设计观点常日基于高冷却速率 (105-106 K/s ) 和极高的温度梯度 (G ~ 106 K/m)，这提高了合金的溶解度极限，并促进亚稳态相的形成。不过在3D打印工艺中，高温度梯度常日会引起沿布局方向拉长的柱晶构造，促进热裂纹征象的产生。
掌握裂纹
现在已知的Scalmalloy® 具有类似于 AA7075-T7351（一种广泛用于传统飞机的铝合金）的机器性能和裂纹扩展曲线。在本文中，3D科学谷将结合市场的科研结果将其裂纹扩展行为与广泛用于航运、汽车车身和与化工厂干系的根本举动步伐的铝合金 AA5754 和广泛用于轻型飞机、自行车车架、电机的 AA6061-T6 进行比较。
三种合金的机器性能比较见表 1：
表 1. Scalmalloy® 和两种广泛利用的铝合金的屈从应力、极限强度和失落效应变的比较。AA5754 的 σy 和 σult 值因回火程序而异。
热处理后的 LPBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印加工的 Scalmalloy® 具有优于 AA5754 和 AA6061-T6 的机器性能。然而，与 AA5754 和 AA6061-T6 比较，与 Scalmalloy® 干系的 da/dN 与 ΔK 曲线的裂纹扩展性能如何？
之前已经看到Scalmalloy® 中的裂纹扩展类似于 AA7075-T7351 合金中的裂纹扩展。可以看到 AA5754 的长裂纹和“短裂纹”曲线之间的同等性。还看到与 Scalmalloy®、AA5754 和 AA6061-T6 干系的 R = 0.1 曲线之间的相似性。
图 1. Scalmalloy®的 R = 0.1 da/dN 与 ΔK 曲线、短裂纹扩展
图 2. Scalmalloy® 的 R = 0.7 da/dN 与 ΔK 曲线
图 2 显示了案例 d) 到 g) 的高 R 比 da/dN 与 ΔK 曲线，个中再次看到与 Scalmalloy® 干系的 R = 0.7 曲线与与 AA5754 干系的高 R 比测试之间的相似性和 AA6061-T6。图 1 和 2 还表明，与 AA7050-T7451 干系的小裂纹 R = 0.1 和 0.7 da/dN 与 ΔK 曲线也与 Scalmalloy® 中与裂纹扩展干系的相应长裂纹同等。这意味着，与 AA7050-T7451 干系的小裂纹曲线可以看作（大约）是 da/dN 与 ΔK 之间的功率关系的延伸。
图 3 显示，当考虑到不同的疲倦阈值和韧性时，各种 da/dN 与 Δκ 曲线非常相似。图 3 中用于各种 AA5754 和 AA6061-T6 测试的常数值在表 2 中给出。为了帮助将 Scalmalloy® 与这些不同的铝合金进行比较，图 3 还包含 Scalmalloy® 的趋势线。
裂纹的增长，即决定飞机运行寿命的那些增长最快的裂纹，可以利用方程来估计。研究创造增材制造的 Scalmalloy® 的裂纹扩展曲线类似于与公认具有良好疲倦性能的常用铝合金 AA5754 和 AA6061-T6 干系的裂纹扩展曲线。这一创造增强了 Scalmalloy® 的潜力，与 AA5754 和 AA6061-T6 比较，它具有卓越的机器性能，可用于制造船舶、轻型飞机和汽车的增材制造零件，可制造商用铝合金替代零件和军用飞机零件，以及用于卫星和空间构造的轻质铝部件。
新材料与新工艺
长期以来，在3D打印铝合金材料中，仅少数Al-Si基铸造合金已实现无裂纹加工。焊接性较差的铸造铝合金，由于高的热梯度会促进柱状成长并因此引起热裂纹，因此铸造级铝合金的增材制造运用受到了很大的限定。
根据3D科学谷的市场不雅观察，这一限定正在被冲破。2019年以来陆续商业化的高强度铝合金3D打印材料，为原来必须通过铸造来实现的零件加工打开了一扇崭新的大门，结合3D打印所开释的设计自由度，铸造铝合金增材制造技能将在压力容器、液压歧管、托架、高强度构造件领域得到想象力巨大的市场空间。
YSZ+6061铝合金
当前科研领域通过添加一定数量的钇稳定氧化锆（YSZ）可以勾引晶粒细化，改变3D打印6061铝合金材料的微不雅观构造，从而肃清热裂纹征象。
减少铸造类铝合金通过增材制造过程加工的产品的裂纹，有两种方法可以进行晶粒细化。第一种方法是在打印过程中掌握热应力。第二种方法是通过改变合金身分或在根本粉末中直接添加成核剂来增强异相成核。
锆基纳米颗粒成核剂+7075和6061铝合金
根据3D科学谷的市场不雅观察，还有一种高强度3D打印铸造铝合金材料也采取了添加锆基成核剂的办法实现晶粒细化、肃清裂纹。该材料为HRL实验室所开拓的3D打印用高强度7A77.60L铝粉，已正式投向市场。HRL实验室选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组合到了7075和6061系列铝合金粉末中。成型后的材料无裂纹、等轴（即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等），实现了细晶粒微不雅观构造，并与铸造材料具有相称的材料强度，这一3D打印的铝合金材料均匀屈从强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，均匀伸长率超过8％。
Al-Mn-Ti-Zr 合金
而在3D科学谷此前的分享中，科研领域还提出了一种专门为 LPBF 工艺开拓的低本钱、无 Sc 且可广泛利用的 Al-Mn-Ti-Zr 合金。该合金旨在用作 AlSi10Mg 替代品并具有类似的广泛运用窗口。通过利用高凝固速率，非常规大量 Mn（3.7 ± 0.5 wt%）在 α-Al 基体内亚稳态冻结，显著促进固溶硬化（~104 MPa ≙ 37% 屈从强度份额）。终极得到的试样的屈从强度为 284 ± 3 MPa，极限抗拉强度为 320 ± 1 MPa，断裂伸长率为 16.9 ± 0.2%。这种新合金具有双峰微不雅观构造，由交替分布的细等轴和粗柱状晶粒区域组成。
参考资料：
1. 《Observations on comparable aluminium alloy crack growth curves: Additively manufactured Scalmalloy® as an alternative to AA5754 and AA6061-T6 alloys》
2. Mathieu Opprecht et.al. A solution to the hot cracking problem for aluminium alloys manufactured by laser beam melting.Acta Materialia 197 (2020) 40–53.
3. 材料科学与工程. 《《Acta Materialia》激光熔化制造铝合金热裂纹问题的办理方法！
》
4. 3D科学谷,《Al6061 铝合金激光熔化3D打印热裂纹问题的办理方法》
5. 3D科学谷, 《高强高韧3D打印铝合金Al250C的性能及运用前景》
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