铝合金增材制造：新一代合金如何推动产业增长（上）

铝合金自金属增材制造技术问世以来，始终是重点研发材料。然而在增材制造的萌芽期，存在一个亟待突破的技术瓶颈：当时几乎所有金属增材制造设备都采用激光技术。

 

这些相对低功率的二氧化碳激光器，其输出波长为10.6μm——从激光与材料相互作用的物理特性来看，铝材对此波段具有镜面反射效应。实际上，约98%的激光能量在该波长下会被铝材反射。

 

要有效加工铝合金需要更高能量源，而在1980年代中期，高能二氧化碳激光器体积庞大。这使得开发适用于铝等金属的激光粉末床熔融（PBF-LB）设备缺乏可行性。更值得注意的是，早期金属加工尝试均依赖烧结聚合物包覆金属粉末，而非实现金属完全熔融。

 

布加迪全新推出的Tourbillon超跑采用了增材制造铝合金部件，图示即为通过激光粉末床熔融技术制造的悬挂结构。该车型的生产运用了Divergent Technologies公司研发的Divergent自适应生产系统

 

尽管存在明显的技术障碍，铝合金始终是增材制造领域备受追捧的材料。但多数行业报告与统计数据却表明，不锈钢、钛合金或镍基合金才是实际应用最广泛的材料。为何会出现这种矛盾现象？

 

当金属快速成型技术开始普及时，业界转而采用光纤激光器。然而铝材加工仍面临巨大挑战：当时设备输出功率普遍偏低，典型的最大输出功率仅150-200W。实际上，早期铝粉打印效果不佳很可能源于功率不足与激光聚焦光斑直径过大的双重影响。

 

这导致铝合金一度被边缘化，钛合金和镍基高温合金反而更受青睐。但可以确定的是，随着激光粉末床熔融工艺日益成熟，以及配备200W、400W激光器的设备问世，铝合金的应用正变得越来越广泛。

 

这款由铂力特研制的电动汽车铝合金后副车架原型件，采用中空点阵填充结构，壁厚仅为2mm。与传统压铸铝合金方案相比，该部件成功实现减重20%，整体尺寸达到1230mmx845mmx337mm

 

早期的应用障碍
铝材应用推进缓慢的主因或许在于理想合金的稀缺。早期采用增材制造技术的行业需要高性能材料，对铝合金而言意味着2000系及7000系变形铝合金。然而，设备原厂首推的铝合金却是AlSi10Mg。

 

首次推介AlSi10Mg合金时潜在用户的反应是陌生与困惑。目标市场完全不认识这种合金，对其性能表现一无所知。任何经历过当时金属增材销售工作的人都会明白，那无异于逆水行舟。

 

对铝合金兴趣最浓厚的金属增材制造早期应用者是航空航天领域。所有一级供应商和原始设备制造商都坚持要求飞机所用材料必须达到明确的技术成熟度等级。因此，在全新的生产方法基础上引入像AlSi10Mg这样的新材料，绝非易事。

 

易加三维与总部位于迪拜的LEAP 71公司联合设计并增材制造出这款高度超1.3米的200千牛推力火箭发动机。该发动机采用AlSi10Mg材料规模化制造，通过持续354小时的一体化成型工艺完成，是目前全球最大的单体增材制造火箭推进器

 

然而，销售团队更倾向于将重心放在其他适用于航空航天、具有明确应用目标的知名材料上，即因科镍合金和钛合金。直到F357（AlSi7）和6061铝合金问世后，这种情况才得以显著改善。

 

自AlSi10Mg被引入增材制造领域以来，业界已进行了大量基础工作，尤其是在过去五年间。如今，随着支持此类合金在增材制造中应用的数据不断积累，以及ASTM和SAE International正在制定相关国际标准，这些合金很可能以更快速度获得市场认可。

 

另一个可能分散早期增材制造领域对铝材兴趣的因素，是增材制造为设计理论和材料选择带来的微妙变化。要理解这一点，需要回溯铝材最初成为工程材料的原因。

 

在航空航天领域，铝的吸引力在于它能制造更轻的结构部件。使用这类轻质低强度合金的缺点在于，必须增大单个零件尺寸才能达到所需的刚度或承载能力。当时工程界缺乏公认的可用铝材等级，导致对钛合金的追捧。

 

虽然钛合金强度与钢相当，但其问世初期最大的弊端在于价格高昂。这意味着对于大多数应用场景而言，轻量化增材制造部件始终缺乏经济可行的解决方案。增材制造带来的设计自由意味着轻量化设计完全可采用刚度更高、成本更低的材料（如钢材）实现。随着增材制造可实现钢材结构优化设计的认知普及，铝材的吸引力反而有所减弱。

 

铝材应用推进缓慢的第三个（也是最后一个）潜在因素是对爆炸风险的担忧——未必是毁灭性爆炸，但足以造成人身伤害、设备损毁或破坏实验室及工作环境。这种恐惧因部分错误信息和少数安全意识过激者的渲染而被放大。

 

结果是所有可能接触铝粉的区域都贴满爆炸风险警示，导致众多机构完全回避使用这种材料。最终采纳铝材的机构，通常要么等到自主建立的安全规程通过验证，要么在获得显示爆炸风险可能被夸大的高级别数据与分析后，才打消顾虑。

 

 

AlSi10Mg早期成功的关键驱动力
所幸，有足够多意志坚定（或纯粹好奇）的研究者推动AlSi10Mg逐步打开局面。业界通过进一步研究发现，其化学成分与航空航天领域已广泛使用的某些铝牌号高度相似，直接推动了2012至2015年间针对此类合金的粉末研发与激光参数优化热潮。经过实践，L169（A357）、AlSi7Mg（F357）及AlSi12Mg等成分相近的合金，均可采用相同激光工艺参数。

 

由宝马集团研发制造、应用于劳斯莱斯古斯特车型的AlSi10Mg激光粉末床熔融结构件

 

尽管无数实践证实，合金成分的细微差异会在熔化、凝固及冷却过程中引发不同表现，但真正决定最终材料性能的关键环节在于构建完成后的后处理。当增材制造领域认识到这类合金不仅需要简单应力消除步骤，盲目套用传统T6类热处理方案也无法达到理想效果时，铝硅合金系列开始展现出优异性能——甚至应用于某些突破性场景。

 

随着AlSi10Mg获得市场认可，用户逐渐理解其作为时效硬化合金的特性后，行业亟需建立衡量基准。鉴于当时缺乏其他理想的高强度替代合金，这对航空航天领域尤为重要，该行业开始着力全面表征AlSi10Mg与F357合金的性能参数。

 

迄今为止，全球范围已持续开展多年密集数据采集工作。针对这类合金的首批标准很可能已进入发布阶段或接近完成制定。

 

 

铝合金增材制造的特有挑战
仅靠一小部分限制较多的合金系列显然无法满足需求，如何达到更高强度要求始终是核心议题。以航空航天和赛车运动领域为例，这些行业早已惯用2000系及7000系变形铝合金，并持续要求获得性能相近（即便非完全等同）的增材制造材料。

 

2000系（主要为铝铜合金）与7000系（铝锌镁合金）在强度重量比至关重要的领域应用广泛，两者均展现出优异的机械加工性和相对良好的耐腐蚀性。但众所周知，由于高合金含量导致凝固过程中产生显著热应力，进而引发热裂纹等问题，这些合金的焊接难度极高。

 

增材制造铝部件并不局限于激光粉末床熔融工艺，正如WAAM3D公司在Formnext 展会上展示的这款采用电弧定向能量沉积技术制造的大型结构件所印证

 

在增材制造环境下，气孔成为实现完全致密零件的重大障碍。受铝材高反射率与导热性影响，这些合金元素易导致气化现象并形成气体孔隙。这些难题常见于激光粉末床熔融与电弧定向能量沉积工艺中。

 

所有铝合金在加工过程中都需应对以下几项共性挑战：极易形成稳定氧化层，可能干扰从熔融到结合的整个增材制造流程，在激光粉末床熔融与定向能量沉积工艺中尤为突出。

 

这些挑战包括，需严格控制热管理，防止过热导致严重缺陷及工件翘曲；含轻质元素的合金可能不适用于电子束粉末床熔融等特定增材工艺；粉末床熔融工艺中需特别注意湿度控制。上述挑战凸显了持续研发的必要性——必须通过优化合金成分与工艺参数，针对性提升增材制造工艺水平及铝合金在其中的表现性能。

 

 

早期的合金创新
激光粉末床熔融技术主导了铝合金在增材制造领域的早期应用。在竭力向业界证明AlSi10Mg可作为理想基础材料的同时，Scalmalloy应运而生。这款全新合金的问世为增材制造领域注入了全新活力。

 

当业界普遍致力于实现与2000系、7000系合金性能看齐时，空客集团创新工作室的研发团队另辟蹊径，从5000系（铝镁合金）中寻找解决方案。他们通过复合添加钪与锆元素，成功改变了这类合金的沉淀强化特性，同时保留了5000系合金引以为傲的卓越耐腐蚀性能。

 

然而，这款新型合金的普及之路颇为漫长，主要源于业界的质疑——甚至可能夹杂着嫉妒。2013年问世初期，该材料几乎无法获取的现状更是雪上加霜。历经数年发展，它才通过授权方式向其他企业开放，并由东洋铝业等粉末生产商直接供货。最新加入的供应商是中国快速崛起的CNPC，其供应计划于今年Formnext展会上正式公布。

 

采用Scalmalloy材料制造的自行车轴类零件铺满整个成型基板

 

不过，Scalmalloy引发的关注确实激发了更多研究尝试，人们开始通过添加钪、锆等过渡金属和稀土元素来优化现有变形铝合金与铸造铝合金。该合金最重要的突破在于：首次实现仅通过单次热处理即可让铝合金获得更高强度。

 

同期出现的另一款重要合金是A20X铸造合金，但其最初并非为增材制造设计。该合金源自常见的含铜银元素的A201合金，但后者存在凝固期间易产生热裂的缺陷。

 

Aeromet国际公司通过在原料生产过程中形成TiB2颗粒，成功解决了这一难题。这些微细颗粒能有效抑制晶粒粗化，其作用机理虽异于传统晶粒细化剂，但最终效果殊途同归。尽管该合金早在2012年就引发关注，但直到2016年Aeromet才决定推出A205合金粉末。

 

与铝镁钪合金类似，A205合金粉末在增材制造领域初期也难以获取，仅由少数机构进行研发。但作为已获认证的航空级材料，它顺利进入了该领域。因其成分无需调整，经过短暂工艺开发后，即被用于全流程增材制造生产飞行认证部件。

 

遗憾的是，关于其具体应用场景、使用方及装配机型均鲜有公开记录。直到Aeromet国际公司决定将专利A20X合金转让给德国Altana集团后，该合金粉末才实现更广泛的商业流通。

 

 

未完待续……