硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

　　选择性激光熔化（SLM）是基于光束的增材制造技术（3D打印技术），与其他增材制造技术相比，它能够以更高的尺寸精度制造复杂形状的金属零件。但是，由于锻造铝合金是专为冷加工工艺（例如轧制和挤压）而设计的，因此这些合金很容易形成结构缺陷。先前的研究报道了在各种锻造铝合金中发生严重开裂的现象，并提出了通过改变工艺参数（即激光输出，扫描距离和扫描速度）以抑制开裂和后热处理以改善机械性能，但这在实践中尚未实现。因此，通过对材料本身合金元素进行研究——添加Si，有望通过SLM应用于轻量化组件的制造。

　　该项研究是来自日本京科学大学大学院机械工学系的Yuki Otani，研究了硅含量对选择性激光熔化（SLM）可加工性的影响以及所制备样品的性能。SLM的最佳激光条件为195 W激光输出和1000 mm/s扫描速度。对于7075合金，硅含量过高会导致延展性降低和样品破裂，硅含量较低则无法抑制微裂纹。因此确定最佳硅含量为5%时，这是消除具有增强的拉伸强度和可接受的延展性的裂纹所需的最低硅含量。相关论文以题为“Effects of the addition of silicon to 7075 aluminum alloy on microstructure,mechanical properties,and selective laser melting process ability”于3月10日发表在Materials Science and Engineering:A。

论文链接：

https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320301672

　　研究表明，通过SLM工艺制造的7075合金零件存在发生严重开裂的问题，添加硅则可以消除重大缺陷，并且硅含量的改变有利加工条件，微观结构形态和机械性能。随着硅含量的增加，SLM样品中的空隙和裂纹得到抑制，促进了SLM样品的致密化，材料的最大相对密度也得到了改善。通过在最佳激光条件下加工7075+5%Si合金，可获得100.2%的最高相对密度。提高了维氏显微硬度和0.2%的屈服强度。7075+16%Si样品的硬度约为未改性7075的两倍。相反，过多的硅含量则导致脆性，这表现为在拉伸试验中测得的轻微延展性以及SLM过程中样品的断裂。在SLM工艺过程中7075+13%Si和7075+16%Si样品会自动断裂。

图1粉末颗粒的形貌：（a）未改性7075;（b）7075+5%Si;（c）7075+16%Si

图2 7075样品的最大和最小相对密度之间的范围

图3样品表面层的激光显微图像（a）未改性的7075;（b）7075+2%Si;（c）7075+4%Si;（d）7075+5%Si;（e）7075+6%Si;（f）7075+16%Si。

　　总体说来，硅是铝合金中一种普遍且便宜的合金成分，它可以防止通过SLM制造的7075合金零件中的微裂纹。但无法观察到硅与其他合金成分（包括Cu，Zn和Mg）的相互作用。这表明类似的方法可能适用于SLM技术的其他锻造铝合金。同时该研究有望作为一种能够在不限制制造几何形状的情况下稳定地消除裂纹的方法。