基于固液两相非牛顿流体流变行为控制的7xxx系高强铝合金直写技术研究

This project is proposed to develop a direct writing technology of 7xxx series high strength aluminum alloys with the control of non-Newtonian rheological behavior. The essential idea of this technology is combining the free-form fabrication of additive manufacturing and non-Newtonian rheology of semi-solid melt. Because of the liquidus difference, the semi-solid melt with desired solid faction is prepared by reheating the mixture of high alloying aluminium powder and pure aluminum powder. By adjusting the shear conditions during the deposition process, the flow behaviour of multiphase melt is controlled for fabricating complex shape part. The desired composition and microstructures can be obtained after the homogenization treatment. In practice, the direct writing equipment is firstly set up. The multi-scale numerical simulation method is then developed to optimize the characteristics of two-phase melt and the direct writing parameters as well. The homogenization mechanism is revealed by in-situ observation experiments, and the heat treatment process is determined by combining the microstructure and mechanical properties analysis. Finally, 7075 aluminum alloy is fabricated based on the developed direct writing technology. The direct writing technology of 7xxx series high strength aluminum alloys directly provides technical basis and data support to low-cost additive manufacturing of alloys and additive manufacturing of high strength aluminium alloys as well.

本项目拟提出一种基于非牛顿流体流变行为控制的7xxx系高强铝合直写技术，其核心思想在于将3D打印自由制造的优势与固-液两相熔体的非牛顿流动特性相结合，直接将高粘性两相熔体沉积成形。利用合金熔点差异，将高合金化铝合金粉末与纯铝粉末混合后重熔以制备固-液两相熔体，通过控制直写过程的剪切条件实现对熔体流变行为的控制，采用逐层沉积的方式实现复杂形状零部件成形，最后经过成分均匀化处理获得目标成分和组织的打印件。项目将首先搭建两相金属直写系统；结合熔体宏观与微观流变性能实验研究，建立两相流动多尺度数值模拟方法，优化两相熔体特征及直写工艺；采用原位热处理方法揭示合金元素复合扩散机制，结合组织及性能分析明确成形件均匀化热处理制度；最后依据该技术方法实现7075铝合金直写成形。项目的顺利实施将提供一种高合金化铝合金直写成形技术，为低成本金属增材制造技术和高强铝合金增材制造技术的开发提供技术基础和数据支持。

当前以激光/电子束等高能束流为热源的金属增材制造技术装备复杂且成本高昂，仍主要适用于航空航天、医疗等高附加值应用领域。为了满足汽车、模具、铸造等工业领域金属构件低成本快速制造的迫切需求，亟需拓展高效低成本复杂金属件增材制造技术。为此，本项目提出一种基于非牛顿流体流变行为控制的铝合直写技术，其核心思想在于将3D打印自由制造的优势与固-液两相熔体的非牛顿流动特性相结合，利用合金熔点差异，将高合金化铝合金粉末与纯铝粉末混合后重熔以制备目标固相分数的固-液两相熔体，通过控制直写过程的剪切条件实现对两相熔体流变行为的控制，采用逐层沉积的方式实现复杂形状零部件成形，最后经过成分均匀化处理获得目标成分和组织的打印件。.项目首先搭建了直写原型机，并以锡铋合金为验证体系优化系统结构以及工艺参数设计，通过两相熔体的微观组织表征和挤出过程数值模拟与实验研究，验证了基于混合粉末重熔制备两相熔体的可行性，同时验证了使用两相熔体进行稳态挤出和直写成形的可行性。在系统关键部件材料选型及加热元器件选型的约束条件下，通过两相熔体制备系统的适配优化，明确该系统对于高熔点Al-Si合金两相熔体制备的可行性，并通过粉末材料改性的方法得到一定的稳态制备时长。进一步地，通过定制适用于700℃高温的加热元器件及气氛保护系统的启用，预期在现有研究基础上，可较快地实现适用于高强铝合金的直写成形技术的开发，并具备试样打印的能力。此外，基于粉末原材料的改性研究，实现了碳化硅复合多相熔体及碳化硅增强铝基复合材料材料的制备，为该多相熔体直写技术的发展拓展了新思路。