科学家研究金属3D打印中铝微观结构与属性的关系

最近，密歇根理工大学开放可持续性技术MOST）实验室的研究人员启动了一个项目，以探索常见的铝合金材料在3D打印技术中的应用。关于该项目的论文《基于GMAW的3D金属打印技术在使用普通铝焊接合金作为原料时的结构属性关系Structure Property Relationships of Common Aluminum Weld Alloys Utilized as Feedstock for GMAW-based 3D metal Printing）》已经被发表在了《Materials Science and Engineering》杂志上。其主要内容就是探索在3D打印中微结构与属性的相互关系。

在这里，所谓的GMAW实际上指的是密歇根理工大学开发的一种开源的金属3D打印技术——气体金属弧焊Gas metal Arc Welding）技术。与那些极其昂贵的基于激光烧结和熔融的金属3D打印技术不同，这种制造技术使用一种气体焊机逐层焊接金属“线材”，并且使用一个开源单片机对其进行控制。

“基于GMAW的3D打印更加类似于单层、多道焊结。这种类型的焊接工艺会对以前的焊接材料再次加热，从而改变颗粒结构，可以提高焊缝力学性能，同时降低残余应力。”研究人员在论文中称。

“不过尽管GMAW比较类似于单一层多道焊接技术，但它们的最大区别是，GMAW 3D打印技术用焊接材料打造出了这个部件，而不像焊接技术那样，只在对象部件上使用一小部分的焊接材料。这就使得工艺参数和几何形状所带来的热应力、微观结构和力学性能都有很大的不同。”

除此之外，GMAW也更加经济实惠，它用气体保护着金属材料，使其通过金属喷嘴进料，然后用电弧进行加热

在材料方面，研究人员主要考察了铝金属，研究了铝焊接填料的拉伸、压缩和微观结构等方面的属性，具体包括ER1100、ER4043、ER4943、ER4047、ER5356等不同牌号的铝合金焊丝。

在其合金测试样品中使用开源的GMAW 3D打印机时，研究人员们发现，所有材料的孔隙率都低于2%，而在打印珠宽度、孔隙率、强度、缺陷敏感性等方面，4000系列被证明优于1100和5356。

对于珠宽度这一指标，研究团队发现1100最小，紧接着是4047和4043合金。

而与其它的铝材料相比，1100和4043的孔隙率最小。而根据研究人员的说法，5356，这种高镁合金，展现出来的孔隙度最大。

他们还指出，在耐久性方面，即拉伸强度的差异，1100和4047都表明标本底部的强度要比顶部的低。“在延展率方面，1100、4943和4047的底部样本均小于顶部样本。”研究团队称。

在1100的拉伸样本中，显示出了Macro-coning，而在4047合金中研究人员观察到了脆性断裂区域。5356样本也出现了开裂。

总体来看，4000 系列被发现性能更为优越，从珠宽度、孔隙度和拉伸强度等方面来看。