《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of Zinc Evaporation-Driven Spattering on Defect Formation and Mechanical Properties in Laser Powder Bed Fusion of AA7075 Aluminum Alloy
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本文针对7000系列铝合金激光粉末床熔融（LPBF）过程中力学性能一致性差的难题，揭示了锌（Zn）蒸发驱动飞溅是缺陷形成的主导原因。研究发现飞溅颗粒表面Zn/ZnO纳米结构局部浓度高达17.8 wt.%，并通过优化保护气流速（9.5 m/s）和空间布局的双阶段控制策略，系统性抑制缺陷密度，实现99.50%致密度及432±5 MPa屈服强度、476±12 MPa抗拉强度、8.0±0.6%延伸率的优异力学性能。该研究为含挥发性元素合金的LPBF加工提供了新框架。
在航空航天领域，高比强度的7000系列铝合金（如AA7075）是制造复杂结构件的理想材料，然而其激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）产业化却面临巨大挑战。与传统制造工艺相比，LPBF技术能实现近净成形，但其极快的冷却速率（103-106K/s）和复杂的物理化学过程也带来了独特的问题。最令人困惑的是，同样是铝合金，LPBF技术加工AlSi10Mg时能获得稳定优异的力学性能，但处理7000系列合金时，其抗拉强度（UTS）却在120-600 MPa之间剧烈波动，延伸率更是从近乎0%到18%不等，性能一致性极差。长期以来，研究人员将这一难题归因于热裂纹或成分变化，甚至尝试了合金化添加、陶瓷增强（如TiB2, TiH2）乃至锆基金属玻璃（Metallic Glass, MG）孕育等多种成分调控策略，但均未能从根本上解决性能不一致的问题。这暗示着，问题的根源可能并非单纯的冶金设计，而是与LPBF过程本身某些未被充分认知的内在物理现象密切相关。
发表于《Journal of Materials Research and Technology》的一项研究，通过对AA7075铝合金LPBF过程的深入研究，揭示了锌（Zn）元素选择性蒸发所驱动的飞溅（Spattering）行为，是导致缺陷形成和性能波动的关键机制。与以往关注热裂纹的视角不同，该研究团队发现，在激光与粉末床相互作用的高温熔池中，沸点较低的Zn元素会优先蒸发。蒸发的Zn蒸气在飞行过程中冷凝并氧化，形成Zn/ZnO纳米结构，并附着在飞溅出的颗粒表面，使其局部Zn浓度高达17.8 wt.%，达到名义成分（约6 wt.%）的三倍。这些表面覆盖着Zn/ZnO的飞溅颗粒流动性差，在刮刀铺粉过程中会污染粉末床，导致层间缺陷累积，从而在元素挥发性和孔隙形成之间建立了定量联系。
为验证这一机制并解决问题，研究人员设计了一套系统的实验方案。他们首先详细表征了飞溅颗粒的形貌与成分（使用扫描电子显微镜SEM和能量色散X射线光谱EDS），确认了Zn的选择性蒸发与富集。进而，他们研究了飞溅颗粒的传输机制，发现其运动受扫描路径与保护气流方向的相对角度显著影响。基于此，研究提出了一个两阶段控制策略：第一阶段优化工艺氛围，通过系统改变惰性气体流速（5.5, 7.5, 9.5, 11.5 m/s）和试样在成型舱内的空间布局（如上-左、上-右等六个位置），确定了最佳气流速（9.5 m/s）和能最大限度减少飞溅物迁移的空间布局（上-右位置）；第二阶段在优化后的氛围条件下进行激光功率（200-300 W）参数优化。此外，研究还采用了X射线显微计算机断层扫描（μ-CT）进行三维缺陷分析，并通过拉伸、压缩测试和显微硬度测量全面评估了优化后试样的力学性能。
3.1. 飞溅颗粒表征
研究通过SEM观察发现，飞溅颗粒呈不规则形态，尺寸大于原始粉末，是 ejected 熔融液滴与周围部分熔化或未熔化的粉末团聚所致。高倍SEM显示飞溅颗粒表面分布有大量纳米颗粒，而原始粉末则无此特征。EDS元素面分布表明，Zn的分布极不均匀，高度集中在这些表面纳米颗粒区域，局部浓度达17.8 wt.%，且该区域与氧分布重合，证实了Zn/ZnO复合纳米结构的形成。这直接证明了Zn是AA7075在研究的参数窗口下LPBF加工过程中的主要挥发性物种。
3.2. 飞溅传输机制：气流与空间布局的影响
研究表明，飞溅颗粒的传输遵循惯性机制，而非完全跟随气流线。当激光扫描方向与保护气流方向垂直时，飞溅物能被有效吹扫出成型区域；而当扫描方向与气流方向平行时，飞溅物则容易在熔道附近积聚。此外，刮刀在铺粉时会将前一层残留的飞溅颗粒与新鲜粉末一同铺展，导致飞溅污染在整个粉末床中扩散，造成质量不均，且这种不均性具有明显的空间依赖性（下游和铺粉后期位置质量更差）。
3.3. 气流速率与试样空间布局优化
Group I 实验表明，气流速率存在最优值。速率过低（5.5 m/s）时飞溅清除不足；速率过高（11.5 m/s）则会扰动粉末床，引入新缺陷。9.5 m/s的气流速率结合上-右（UR）空间布局（受上游飞溅影响最小且铺粉优先）能获得最佳效果，相对密度达99.36%，显微硬度为164 HV。而下-左（LL）位置在11.5 m/s时质量最差，密度仅98.41%，硬度143 HV。
3.4. 激光功率优化与缺陷抑制
Group II 实验在优化氛围（AO）前后对比进行。优化前（BO），相对密度与激光功率关系非单调，且在P=240 W时出现异常低密度（93%），这与该试样位于易积累飞溅的下游位置有关。优化后（AO），密度随功率增加呈单调增长，消除了异常行为，并在P=260 W时达到99.0%的最高密度。缺陷形貌分析表明，功率不足时以未熔合缺陷为主，功率过高时则因匙孔不稳定和Zn蒸发加剧产生规则孔洞。
3.5. 优化试样的微观结构分析
μ-CT三维缺陷分析显示，优化前（BO）试样内部存在沿构建方向延伸的连通孔洞网络，表明缺陷是逐层累积并 coalescence 的结果。优化后（AO）试样中的缺陷则主要为孤立、均匀分布的球形小孔，大尺寸缺陷基本消除，缺陷尺寸分布从双峰变为单峰。SEM观察显示，优化后试样呈现等轴晶结构，晶粒尺寸约1 μm，并观察到由飞溅引起的球形缺陷，其周围富Zn/ZnO。金属玻璃（MG）颗粒在基体中均匀分布且保持离散形态，未与铝基体发生明显反应。
3.6. 力学性能
压缩性能显示，上-右（UR）位置的试样性能最佳，压缩屈服强度（YS）为519±13 MPa，极限抗压强度（UCS）为1152±21 MPa。拉伸性能与试样相对于扫描方向的夹角（θ）密切相关。θ=15°时性能最优，极限抗拉强度（UTS）为476±12 MPa，屈服强度（YS）为432±5 MPa，断后伸长率为8.0±0.6%。而θ=5°时虽屈服强度最高（445±8 MPa），但因铺粉方向投影最大导致缺陷集中在试样尾部，塑性极差（~1.5%）。θ=45°时则因缺陷密度过大而发生屈服前脆性断裂。断口分析显示，最优试样断口以韧窝为主，但也存在由未熔合和富含Zn/ZnO的飞溅颗粒引起的缺陷，后者成为裂纹源。
本研究通过系统实验，揭示了Zn蒸发驱动飞溅是LPBF制备AA7075合金过程中缺陷形成和性能不一致的主导机制。研究创新性地提出了结合优化保护气流速（9.5 m/s）和合理空间布局的双阶段控制策略，有效抑制了飞溅诱导的缺陷，成功制备出致密度达99.50%、力学性能优异且一致性高的AA7075/5MG复合材料试样。所建立的关联蒸发-飞溅-缺陷的机理模型和飞溅生命周期模型，为处理含挥发性元素合金的LPBF工艺提供了超越传统参数优化的新框架，特别对于飞溅累积效应被放大的大型构件LPBF制造具有重要指导意义。该研究强调了在LPBF过程控制中，必须综合考虑元素特异性挥发行为、飞溅传输机制（气流与扫描策略耦合）以及粉末床质量等多维度因素，为实现高性能7000系列铝合金构件的一致性增材制造指明了方向。
