摘要：尽管铝合金的增材制造（AM）采用速度相对较慢，但过去15年中已呈现出蓬勃发展的趋势。通过学术界和工业界的共同努力，取得了显著进展，包括新型工艺、新型合金、新型热处理工艺及应用的发展。本综述详细介绍了使用各种增材制造技术制造的不同铝合金和铝基复合材料的工艺技术、
导读
尽管铝合金的增材制造（AM）采用速度相对较慢，但过去15年中已呈现出蓬勃发展的趋势。通过学术界和工业界的共同努力，取得了显著进展，包括新型工艺、新型合金、新型热处理工艺及应用的发展。本综述详细介绍了使用各种增材制造技术制造的不同铝合金和铝基复合材料的工艺技术、显微结构和性能，这些技术包括激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融、激光粉末直接能量沉积、线弧增材制造、粘结剂喷射和摩擦搅拌增材沉积。评估了每种技术在制造铝合金时的优缺点。作为铝合金增材制造的主要技术，重点介绍了激光粉末床熔融技术，回顾了各种因素的影响，如后热处理、粉末原料、氧化和脱模。
主要图表
图1.2017年至2028年铝合⾦需求[14]. (a)用于增材制造（AM）零件原型制作和增材制造零件生产的铝合⾦。(b)铸造和AM专用铝合⾦
图2.2006年至2022年增材制造铝合金出版物的发展趋势及饼图。(a)关于通过增材制造（包括激光粉末床熔融（L-PBF）、电子束粉末床熔融（EB-PBF）、激光粉末直接能量沉积（LP-DED）、线弧增材制造（WAAM）和摩擦搅拌增材沉积（AFSD））制造的铝及其合金的出版物数量。(b)关于各种铝材料（包括Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn和铝基复合材料（AMCs））的增材制造的研究出版物。数据来源于Web of Science、ScienceDirect和Springer的研究出版物。
图3.基于材料粘结方法的增材制造工艺分类[8].本综述仅涵盖激光粉末床熔融（L-PBF）、电子束粉末床熔融（EB-PBF）、激光粉末直接能量沉积（LP-DED）、线弧增材制造（WAAM）、粘结剂喷射（BJ）和摩擦搅拌沉积（AFSD）。
图4.增材制造（AM）技术的示意图及加工特性。线弧增材制造（WAAM），粘结剂喷射（BJ），激光粉末床熔融（L-PBF），激光粉末直接能量沉积（LP-DED），电子束粉末床熔融（EB-PBF），以及增材摩擦搅拌沉积（AFSD）。
图5.各类铝合金分类。(a)铝合金分类及其强化机理。(b)各种铸铝和锻铝的极限抗拉强度。
图6.成型激光粉末床熔融AlSi10Mg合金的分级显微结构。(a)电子背散射衍射和(b)扫描电子显微镜图像显示了成型AlSi10Mg合金的蜂窝状结构。(c)高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和(d)能量色散谱（EDS）映射显示了蜂窝状结构。(e)高角环形暗场（HAADF）/能量色散谱（EDS）图显示了成型AlSi10Mg合金中的纳米级Si颗粒。
图7.激光粉末床熔融Al-Si合金的显微组织。（a-f）分别为Al-0.5Si、Al-1.0Si、Al-2.0Si、Al-4.0Si、Al–12.6Si和Al–16.0Si的扫描电子显微镜（SEM）图像。(g)成型AlSi8.1Mg1.4合金[80]的电子背散射衍射（EBSD）图。(h)高分辨率晶格图像和快速傅里叶变换（FFT）图像（插图）显示了纳米级Guinier-Preston（GP）区的形成。(i)原子探针断层扫描（APT）表征了成型AlSi8.1Mg1.4合金中Si和Mg的分布。
图8.激光粉末床熔融Al-Cu、Al-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn合金的光学显微照片。(a)Al-Cu-Mg合金[88]. (b) Al5083合金. (c) Al6061合金. (d) Al7075合金在不同打印参数下的显微照片.
图9.激光粉末床熔融Al6061和Al7075样品的光学显微照片。（a，b）在未加热粉末床和加热粉末床上制造的Al6061样品。（c，d）在没有基板加热和有基板加热下制造的Al7075样品。
图10.激光粉末床熔融Al-Zn合金的裂纹消除。(a)光学显微照片和(b)电子背散射衍射图像，Al7075和改良Al7075合金。
图11.激光粉末床熔融工艺中中高强度铝合金的晶粒细化。电子背散射衍射图像：（a1，a2）Al2024和Al2024 + 0.7 wt % Ti。（b1，b2）Al5083和Al5083 + 0.7 wt% 。（c1，c2）Al6061和Al6061 + YSZ。（d1，d2）Al7075和Al7075 + Nb 。
图12.激光粉末床熔融Al-Mg-Zr和Ti改性Al2024合金的显微组织。(a)高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像展示了激光粉末床熔融Ti改性Al2024合金的显微组织及其相应元素的能谱图。（b1，b2）高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示了Al基体与L12-Al3Ti颗粒之间的界面及重合情况。插图显示了标记区域[97]对应的快速傅里叶变换（FFT）图案。(c)扫描电子显微镜（SEM）图像显示了激光粉末熔融Al-Mg-Zr合金中白色对比度颗粒[11]的非均匀分布。(d)扫描透射电子显微镜-能量色散谱（STEM-EDS）化学图显示了细晶区中析出物的化学成分。
图13.激光粉末床熔融及电子背散射扫描衍射过程中反射相机拍摄的图像。反射相机捕捉了(a)Zicromal®、Scancromal®和Scalmalloy®合金[106]在激光粉末床熔融过程中的图像。箭头指示氩气的流动方向。(b)显示了激光粉末床熔融Scalmally®、Scancromal®和Scantital®合金[107]的电子背散射扫描衍射图像。
图14.不同热处理条件下激光粉末床熔融Al-Si-（Mg）合金的显微组织演变。(a)扫描透射电子显微镜-能量色散X射线（STEM-EDX）图，显示了Al-12Si合金在原始状态和固溶处理条件下的Al和Si分布。（b1-b3）扫描电子显微镜图像，展示了AlSi10Mg在原始状态、固溶处理和时效（STA）条件下的情况。（b4）扫描电子显微镜图像，显示了直接时效后的粗Si颗粒。（b5）直接时效后球形和棒状Si纳米析出物的形成。（b6）纳米级析出物与Al基体之间的半共格界面。
图15.不同热处理条件下激光粉末床熔融高强度铝合金的显微组织演变。激光粉末床熔融Zr改性AlCuMg合金的电子背散射衍射（EBSD）图，分别显示了（a1）成型状态、（a2）直接时效（DA）状态和（a3）溶解处理后时效（STA）状态。（b1-b3）高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，显示了Al3Sc颗粒[121]。相应的热处理条件为：（b1）300◦C下300 min；（b2）350◦C下360 min；（b3）450◦C下360 min。
图16.激光粉末床熔融铝-硅合金的拉伸性能。(a)激光粉末床熔融和粉末冶金法制备的AlSi10Mg合金的标称拉伸应力-应变曲线. (b)不同间距的AlSi10Mg合金. (c)在不同基板温度和方向（H：水平，V：垂直）下的(c) A357合金 (d)铝-xSi合金.
图17.热处理对激光粉末床熔融Al-Si合金拉伸性能的影响。直接时效（DA）温度对(a) AlSi8.1Mg1.4合金[80]拉伸性能的影响；以及(b)直接时效（DA）和T6热处理对AlSi10Mg [132]拉伸性能的影响。
图18.激光粉末床熔融中高强度铝合金的拉伸性能。(a) AlCuMg/Zr合金. (b) AlMnSc合金.
图19.激光粉末床熔融Al-Si合金的疲劳和断裂韧性。激光粉末床熔融AlSi10Mg样品的应力幅值-失效循环（S-N）曲线(a)沿0◦、45◦和90◦. (b)在未加工、直接老化（DA）和T6条件下。
图20.激光粉末床熔融高强度铝合金的疲劳与断裂韧性。（a1）钙/锆改性的Al5024合金在未加工（AB）、热等静压（HIP）和过时效（OA2）条件下的高周疲劳性能。（a2）激光粉末床熔融Al-Mg-Sc-Zr合金在水平和垂直方向上的应力幅值-循环至失效（S-N）曲线[122]。（b1）激光粉末熔融AlMgScZr合金的载荷-裂纹扩展位移（COD）曲线.（b2）激光粉末床熔融AlMgScZr合金与2xxx、7xxx和Al-Li锻造合金的强度和断裂韧性的比较.
图21.激光粉末床熔融Al-Si合金的腐蚀性能。(a)激光粉末床熔融Al-12Si合金和铸态Al-12Si合金在3.5 wt%氯化钠溶液中的动电位极化曲线.激光粉末床熔融Al-12Si合金在3.5 wt%氯化钠溶液中XY面和XZ面的动电位极化曲线.扫描电子显微镜图像显示了激光粉末床熔融Al-12Si样品在3.5 wt%氯化钠溶液中极化实验后的形貌，分别位于(c)XY面和(d)XZ面.
图22.激光粉末床熔融中等强度和高强度铝合金的腐蚀性能。(a) AA5083、AA5083 + 0.7Zr和AA5083 + 1 Zr合金在3.5 wt%氯化钠中168小时后的SEM图像。(b)激光粉末床熔融AlMgScZr合金在3.5 wt%氯化钠溶液中的XY和XZ平面的动电位极化曲线。(c)激光粉末床熔融AlMgScZr合金在3.5 wt%氯化钠溶液中的原样和热处理后的动电位极化曲线。
图23.激光粉末床熔融铝合金与传统工艺铝合金（包括AA8009和2618-T651）的(a)屈服强度和(b)极限抗拉强度的关系。为了对比，还展示了具有钛6铝4钒合金特定强度的铝合金的强度。
图24.激光粉末床熔融AlMgZr合金的高温拉伸和蠕变性能。(a)激光粉末床熔融AlMgZr合金屈服强度随测试温度的变化。（b1-b3）在260◦C下，AlMgZr合金在三种条件下的二次蠕变率与应力的双对数图：未加工、时效处理(260◦C，168小时）、峰值时效处理(400◦C，8小时）。
图25.扫描电子显微镜图像显示了激光粉末床熔融铝合金的异质多尺度微观结构。(a).制造后的Al-Ce-Mn样品。(b).制造后的Al-5Fe-6Cr样品。
图26.用于反映粉体质量的粉体特性。
图27.粉末特性对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金打印质量和拉伸性能的影响[185].铝粉扫描电子显微照片（a1）A1：粗粉；（a2）A2：细粉；（a3）A3：粗细粉混合；（a4）B1：等离子体雾化粉末。（b1）–（b6）显示了雪崩角、吸收率、表面粗糙度、部分密度、极限拉伸强度（σUTS）和断裂伸长率。
图28.基于已发表文献的粉体特性再利用后的演变。上箭头和下箭头分别代表增加和减少。
图29.粉末再利用对激光粉末床熔融铝合金粉末特性和打印质量的影响。扫描电子显微镜图像显示了（a1）原始粉末和（a2）再利用30个月的粉末[189]。红色圆圈表示再利用粉末中的亮氧化颗粒。（b1）原始粉末和（b2）再利用30个月的粉末的表面形貌[189]。（c1）和（c2）分别显示了使用原始粉末和再利用粉末的激光粉末床熔融AlSi10Mg0.4样品的光学显微镜（OM）图像[191]。（关于图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本。）
图30.粉末和烧结铝样品中氧含量的演变[195]. (a)起始粉末以及激光粉末床熔融纯铝、AlSi12和AlSi10Mg零件中的氧含量（质量ppm)。（b1-b8）激光粉末床熔融过程中氧去除的示意图。
图31.不同温度下金属的平衡蒸气压及激光粉末床熔融铝合金中Mg和Zn的蒸发。(a)不同温度下金属的平衡蒸气压. (b)激光粉末床熔融铝合金中Mg和Zn的蒸发。数据引用自文献。
图32.激光粉末直接能量沉积铝合⾦的显微结构和力学性能。(a)AlSi10Mg试样的纵向截面代表性光学显微镜图像。(b) Al5083合金[211]和(c) Al3104合金[210]的电子背散射衍射图像(d)不同条件下激光粉末直接能量沉积和直接凝固铸造（DC）制备的Al3104的硬度演变[210]。(e)Al5083合金的拉伸性能。
图33.激光粉末直接能量沉积Al-Mg-Si-Zr合金的显微组织和拉伸性能。(a)激光粉末直接能量沉积和(b)激光粉末床熔融Al-Mg-Si-Zr合金的电子背散射衍射；(c)激光粉末直接能量沉积和激光粉末床熔融Al-Mg-Si-Zr合金的拉伸性能[217].激光粉末直接能量沉积Al-Mg-Si-Zr合金在(d)空气冷却（AC）和(e)水冷却（WC）下的电子背散射衍射。(f)激光粉末直接能量沉积Al-Mg-Si-Zr合金在空气冷却（AC）和水冷却（WC）下的拉伸性能.
图34.成品电子束粉末床熔融AlSi10Mg合金[222]的显微组织和力学性能。(b)和(c)扫描电子显微镜图像，(c)不同放大倍数下的电子背散射衍射反极图（IPF）图像，(d)硬度，(e)工程应力-应变曲线。
图35.线弧增材制造铝合金的显微组织和拉伸性能。(a)光学显微镜和(b)电子背散射衍射显示水冷基板上的线弧增材制造Al2219。（c1）AlZnMgCu和（c2）AlZnMgCuSc 的电子背散射衍射。（(d)）线弧增材制造AA2219合金的力学性能。(e)线弧增材制造AlZnMgCuSc在沉积态和T6状态下的。
图36.采用层间锤击的线弧增材制造铝合金微观结构、致密化及拉伸性能的演变。(a).采用层间锤击的线弧增材制造Al5B06的电子背散射衍射[245].(b).未锤击和锤击的线弧增材制造Al2219样品的孔隙分布.(c).未锤击和不同变形下的层间锤击线弧增材制造Al2219合金的拉伸性能.
图37.拉挤成型铝部件的形态与致密化 (a)不同粘结剂饱和度从15%到100%的拉挤成型部件。(b)真空烧结后拉挤成型铝部件的闭孔率、开孔率、几何密度和表观密度。
图38.预料材料和增材摩擦搅拌沉积Al6061合金[248]的3D电子背散射衍射图像。(a)预料材料。(b)增材摩擦搅拌沉积Al6061，沉积速度较慢；(c)增材摩擦搅拌沉积Al6061，沉积速度快。
图39.预先搅拌摩擦沉积AA2219合金的显微组织和硬度。(a)电子背散射衍射和硬度分析显示了预先搅拌摩擦沉积AA2119和原料材料的特性。透射电子显微镜图像分别展示了原料材料中的(b)θ′析出相和预先搅拌摩擦沉积AA2219中的(c) θ析出相。
图40.添加摩擦搅拌沉积铝合金的拉伸性能。(a)拉伸性能随层数的变化. (b)热处理条件下的锻造Al7075合金、激光粉末床熔融Al7075在T6热处理条件下的拉伸性能，以及添加摩擦搅拌沉积Al7075在T6热处理条件下的拉伸性能.
图41.通过激光粉末床熔融、激光粉末直接能量沉积和电子束粉末床熔融制造的铝合金的屈服强度曲线。用于绘制该图的数据基于表A. 4、5、9和10中的数据。
图42.激光粉末床熔融和激光粉末直接能量沉积铝基复合材料的编制。
图43.激光粉末床熔融铝基复合材料的显微结构和力学性能。（a1，a2）激光粉末床熔融Al–12Si合金和Al–12Si+2 wt% TiB2的电子背散射衍射[257]。（b1，b2）激光粉末床熔融AlSi10Mg和AlSi10Mg + 1.5 wt% TiB2 + 1.5 wt % TiC合金的电子背散射衍射[264]。（c1，c2）激光粉末床熔融AlSi10Mg和AlSi10Mg + 1%氧化锌合金的电子背散射衍射[281]。（d1）不同TiB2含量的激光粉末床熔融AlSi10Mg合金的拉伸性能[282]。（d2）激光粉末床熔融Al2024和Al2024在T6热处理条件下的拉伸性能。
图44.激光粉末直接能量沉积和电子束粉末床熔融铝基复合材料的显微结构和力学性能。激光粉末直接能量沉积(a) Al2024；(b) Al2024 + 0.5 wt% TiB2 的电子背散射衍射图像。激光粉末床熔融和激光粉末直接能量沉积Al2024及Al2024 + 3 wt% TiB2 的拉伸性能。扫描电子显微镜观察电子束粉末床熔融TiB2增强AlCuMgFeNi合金在(d) as-built和(e) T6条件下的。(f)成型和T6热处理TiB2增强AlCuMgFeNi合金的应力-应变曲线。
图45.电弧增材制造铝基复合材料的显微组织。(a) AlZnMgCu和(b)TiN改性的AlZnMgCu 的电子背散射衍射图像。(c) Al2219和(d)TiC改性的Al2219 的电子背散射衍射图像。
图46.铝基复合材料的显微组织和致密化[20]. (a)添加摩擦搅拌沉积工艺示意图，用于基于基体和增强粉体制备金属基复合材料。(b)添加摩擦搅拌沉积Al–20 vol %碳化硅复合材料的光学图像和(c)X射线断层扫描。
图47.激光粉末床熔融商业化铝合金的屈服强度。
图48.铝合金增材制造产品。(a)由APWORKS、空客集团奥托布伦恩[306]打印的Scalmalloy®仿生飞机隔板。(b)使用EOS aluminum AlSi10Mg通过增材制造的哨兵卫星拓扑优化天线支架。(c)采用线弧增材制造的铝机身面板。(d)梅赛德斯-奔驰卡车的激光粉末床熔融铝备件。(e)为宝马i8连续制造的部件。(f)使用粘结剂喷射技术的Al6061发动机缸体。(g)由APWORKS使用其Scalmalloy®合金打印的电动摩托车车架[14]。(h)通过激光粉末床熔融制造的AlMgSc滑板。(i)使用A6061–RAM2的激光粉末床熔融散热器组件，采用玻璃珠喷丸处理。(j)使用A2024–RAM2的激光粉末床熔融活塞头。(k)高密度激光粉末直接能量沉积铝块。
图49.铝合金增材制造的发展前景概述，包括新型加工方法、新型合金、新型结构及工艺-微观结构-性能关系。(a)混合制造示意图[316]. (b)开发新型合金，采用Ref. . (c)晶体启发的蜂窝结构[317]. (d)蜂窝结构的单单元格. (e)激光粉末床熔融的粉末[102]. (f)激光粉末直接能量沉积过程的图像. (g)激光粉末床熔融Ti改性Al2024的电子背散射衍射.
主要结论
当前铝合金增材制造的最新进展被回顾，重点介绍了不同增材制造技术的加工过程，包括激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融、激光粉末直接能量沉积、线弧增材制造和摩擦搅拌增材沉积。列出了增材制造技术和铝合金的分类。随后，介绍了所制备铝合金的“加工-显微组织-力学性能”关系。综述的结论如下：
(1)液相增材制造和固相增材制造已被用于制造铝及其合金。在液相增材制造中，激光粉末床熔融占据最大比例，而铝-硅合金是增材制造中最常研究的合金系统。
(2)激光粉末床熔融铝-硅合金沿构建方向显示出粗大的柱状晶粒和包含富含硅边界区域的异质结构。通过调整取向参数，可以调节激光粉末床熔融铝-硅合金的显微组织和力学性能。由于快速冷却过程导致的显微组织细化，激光粉末床熔融铝-硅合金的屈服强度高于铸造同类材料。
(3)尽管使用激光粉末床熔融技术可以打印出高密度且无裂纹的高强度铝合金，如铝-铜、铝-镁-硅和铝-锌合金，但裂纹的形成仍然是一个挑战。通过微米或纳米粉末的功能化处理，例如钛、锆，钪和钽已被采用以提高打印能力。裂纹愈合归因于与铝基体相容的Al3X（X = Ti、Zr、Sc和Ta）相的形成，这细化了晶粒，防止裂纹扩展。通过晶粒细化，激光粉末床熔融高强度铝合金表现出比传统制造的铝合金更高的屈服强度。
(4)激光粉末床熔融铝合金的显微组织和机械性能可通过后热处理进行调整。由于特殊的显微组织，需要重新设计热处理工艺以实现所需的显微组织和高性能。
(5)与其他增材制造技术相比，使用激光粉末床熔融制造铝合金较为罕见： (i)电子束粉末床熔融技术在制造铝合金方面具有优势，因为它可以排除氧化的可能性，并已被用于制造AlSi10Mg、Al-Cu和Al-Zn合金。通过EB-PBF制造的AlSi10Mg合金表现出优异的延展性，并且经过热处理后可实现沉淀硬化。（ii）AlSi10Mg合金和Scalmalloy®已通过激光粉末直接能量沉积技术制造。激光粉末直接能量沉积的AlSi10Mg沿构建方向显示出异质微观结构。针对不同的热历史，激光粉末直接能量沉积Scalmalloy®表现出双峰粒度分布，包含粗晶和细晶。（iii）采用线弧增材制造技术制备了具有异质微观结构的铝合金。原位制备的铝合金微观结构对其成分和打印条件非常敏感。（iv）固态增材摩擦搅拌沉积技术有望制备高强度的Al-Cu和Al-Mg-Si合金，这些合金在通过熔融基增材制造加工时容易形成裂纹。增材摩擦搅拌沉积铝合金的晶粒结构和析出行为对加工参数非常敏感。增材摩擦搅拌沉积制备的Al7075的拉伸性能与锻造材料相当。
(6)增材制造技术可以通过原位方法制备铝合金基复合材料。引入的陶瓷可以实现晶粒细化以修复裂纹或提供增强源。
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来源：江苏激光联盟
