科學家研究金屬3D列印中鋁微觀結構與屬性的關係

最近，密歇根理工大學開放可持續性技術（MOST）實驗室的研究人員啟動了一個項目，以探索常見的鋁合金材料在3D列印技術中的應用。關於該項目的論文《基於GMAW的3D金屬列印技術在使用普通鋁焊接合金作為原料時的結構屬性關係（Structure Property Relationships of Common Aluminum Weld Alloys Utilized as Feedstock for GMAW-based 3D Metal Printing）》已經被發表在了《Materials Science and Engineering》雜誌上。其主要內容就是探索在3D列印中微結構與屬性的相互關係。

在這裡，所謂的GMAW實際上指的是密歇根理工大學開發的一種開源的金屬3D列印技術——氣體金屬弧焊（Gas Metal Arc Welding）技術。與那些極其昂貴的基於激光燒結和熔融的金屬3D列印技術不同，這種製造技術使用一種氣體焊機逐層焊接金屬「線材」，並且使用一個開源單片機對其進行控制。

「基於GMAW的3D列印更加類似於單層、多道焊結。這種類型的焊接工藝會對以前的焊接材料再次加熱，從而改變顆粒結構，可以提高焊縫力學性能，同時降低殘餘應力。」研究人員在論文中稱。

「不過儘管GMAW比較類似於單一層多道焊接技術，但它們的最大區別是，GMAW 3D列印技術用焊接材料打造出了這個部件，而不像焊接技術那樣，只在對象部件上使用一小部分的焊接材料。這就使得工藝參數和幾何形狀所帶來的熱應力、微觀結構和力學性能都有很大的不同。」

除此之外，GMAW也更加經濟實惠，它用氣體保護著金屬材料，使其通過金屬噴嘴進料，然後用電弧進行加熱在材料方面，研究人員主要考察了鋁金屬，研究了鋁焊接填料的拉伸、壓縮和微觀結構等方面的屬性，具體包括ER1100、ER4043、ER4943、ER4047、ER5356等不同牌號的鋁合金焊絲。

在其合金測試樣品中使用開源的GMAW 3D印表機時，研究人員們發現，所有材料的孔隙率都低於2%，而在列印珠寬度、孔隙率、強度、缺陷敏感性等方面，4000系列被證明優於1100和5356。

對於珠寬度這一指標，研究團隊發現1100最小，緊接著是4047和4043合金。而與其它的鋁材料相比，1100和4043的孔隙率最小。而根據研究人員的說法，5356，這種高鎂合金，展現出來的孔隙度最大。他們還指出，在耐久性方面，即拉伸強度的差異，1100和4047都表明標本底部的強度要比頂部的低。「在延展率方面，1100、4943和4047的底部樣本均小於頂部樣本。」研究團隊稱。

在1100的拉伸樣本中，顯示出了Macro-coning，而在4047合金中研究人員觀察到了脆性斷裂區域。5356樣本也出現了開裂。總體來看，4000 系列被發現性能更為優越。

（來源:中國鋁業網）

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