科學家研究金屬3D打印中鋁微觀結構與屬性的關系

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打印技術中的應用。關于該項目的論文《基于GMAW的3D金屬打印技術在使用普通鋁焊接合金作為原料時的結構屬性關系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》雜志上。其主要內容就是探索在3D打印中微結構與屬性的相互關系。

在這里，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打印技術——氣體金屬弧焊Gas metal Arc Welding）技術。與那些極其昂貴的基于激光燒結和熔融的金屬3D打印技術不同，這種制造技術使用一種氣體焊機逐層焊接金屬“線材”，并且使用一個開源單片機對其進行控制。

“基于GMAW的3D打印更加類似于單層、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，同時降低殘余應力。”研究人員在論文中稱。

“不過盡管GMAW比較類似于單一層多道焊接技術，但它們的最大區別是，GMAW 3D打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，然后用電弧進行加熱

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打印機時，研究人員們發現，所有材料的孔隙率都低于2%，而在打印珠寬度、孔隙率、強度、缺陷敏感性等方面，4000系列被證明優于1100和5356。

對于珠寬度這一指標，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的底部樣本均小于頂部樣本。”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，從珠寬度、孔隙度和拉伸強度等方面來看。