综述：铝合金粘结剂喷射增材制造的最新进展：致密化机理、工艺策略与性能提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Recent Advances in Binder Jetting Additive Manufacturing of Aluminum Alloys: Densification Mechanisms, Processing Strategies, and Property Enhancement

　　

**摘要**

得益于低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性能，铝合金在航空航天、汽车轻量化和电子热管理方面有着广泛的应用需求。粘结剂喷射（BJ）作为一种无强局部热输入的粉末床增材制造方法，可以避免激光基铝增材制造中的几项加工难题，如高光学反射率和热裂纹，已成为制造复杂轻质铝合金部件的一条有前途的途径。然而，铝粉末上的固有氧化膜会严重阻碍颗粒间的冶金结合和烧结致密化，限制了其在高载荷结构部件中的应用。有效的致密化通常需要氧化膜改性、孔隙结构、液相形成、气氛和烧结助剂的协同控制，而非单一参数的优化。本综述系统阐述了粉末特性、生坯成型、脱脂、烧结和烧结后热处理如何控制粘结剂喷射铝合金的尺寸精度、密度和力学性能，重点探讨了烧结助剂和保护气氛的氧化膜改性和致密化机理。最后总结了关键技术挑战和未来研究方向，以支持高性能粘结剂喷射铝合金部件的工业化应用。

**引言**

铝合金是航空航天、汽车、电子和热管理应用中最重要的轻质结构和功能材料之一，这得益于其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的热导率。随着对轻量化设计、结构集成和制造灵活性的需求日益增长，增材制造（AM）已成为快速制造几何复杂金属部件的使能技术。与传统减材或成形制造路线相比，增材制造具有独特优势，包括近净成形制造、增强的设计自由度、缩短的生产周期和材料效率。在各种金属增材制造技术中，高能束基工艺如激光粉末床熔融（LPBF）和电子束粉末床熔融（EB-PBF）由于能够以高尺寸精度制造复杂结构，在铝合金制造方面经历了快速发展[1]、[2]。

尽管取得了这些进展，铝合金的增材制造仍然面临挑战，因为其高光学反射率、高导热性、强氧化倾向和对凝固相关缺陷的敏感性。在融合基工艺中，快速熔化和凝固经常导致热裂纹、残余应力积累、孔隙和微观组织不均匀性，从而限制了工艺稳定性和部件可靠性。因此，将成形与致密化分离的替代增材制造路线引起了越来越多的关注，用于制造具有改进工艺灵活性和减少热约束的铝合金。

粘结剂喷射增材制造（BJAM）是一种基于粉末床的固态增材制造技术，已成为制造铝合金部件的有前途的替代方案。与融合基方法不同，BJ通过选择性沉积液态粘结剂到粉末层上来形成生坯，将几何成形与最终致密化分离，然后经过固化、脱脂和烧结。这种独特的工艺路线提供了多项优势，包括室温成形、相对较低的设备成本、高制造吞吐量、降低凝固诱导开裂的敏感性以及广泛的材料兼容性。此外，没有局部熔化最小化了热应力积累，并能够制造几何复杂的结构而无需大量支撑要求，这使得BJ特别适用于高活性金属体系和大规模生产[3]。

然而，铝合金的BJ远未成熟，在整个工艺链中面临若干基本挑战。密实且热力学稳定的表面氧化膜（Al?O?）容易在铝粉末颗粒上形成，严重限制了烧结期间的颗粒间扩散和冶金结合，从而阻碍了致密化[4]、[5]、[6]。此外，粉末特性——包括形貌、粒径分布、流动性和堆积行为——强烈影响粉末铺展质量、生坯密度、尺寸精度和缺陷形成。粘结剂化学和加工条件控制固化和脱脂过程中的生坯强度、杂质残留和孔隙演化，而烧结参数，如温度、保温时间、气氛、加热策略和烧结助剂，则强烈影响氧化膜演化、致密化动力学和微观组织演化。此外，烧结后的残余孔隙、晶粒粗化和非平衡微观组织通常需要后续热处理或后处理优化，以实现理想的力学性能[3]、[4]、[5]、[7]。

近年来，在铝合金BJ的粉末工程、粘结剂开发、打印参数优化、烧结策略和后处理方法方面已取得相当进展，提高了致密化行为、尺寸稳定性和力学性能[8]。然而，文献在通用金属BJ、铝粉末冶金、金属注射成形和融合基铝增材制造之间仍然分散。现有的综述主要讨论广泛的BJ工艺或整体铝增材制造，而特定于BJ铝合金的耦合问题——氧化膜稳定性、低生坯密度、粘结剂衍生氧/碳残留、瞬态液相烧结、气氛辅助致密化和烧结后热处理——尚未得到充分整合。因此，本综述总结了BJ铝合金的最新进展，重点强调工艺特定的证据。对BJ铝合金的直接研究作为主要证据，而铝粉末冶金/MIM和其他金属BJ研究仅在直接BJ数据有限时用作机理参考。通过围绕粉末-粘结剂-生坯-脱脂-烧结-热处理链组织文献，本综述旨在澄清关键技术瓶颈并为高性能BJ铝合金部件的开发和鉴定提供指导。

为确保本综述的全面性和可靠性，文献主要检索自Web of Science核心合集和Scopus数据库，Google Scholar作为补充工具用于引文追踪和交叉检查近期发表的研究。综述涵盖2010年至2026年初的出版物，特别强调最近五年报道的最新进展。聚焦BJ铝合金的原创实验研究被视为本综述的主要证据基础。由于对铝合金的直接BJ研究仍然相对有限，铝粉末冶金（PM）、金属注射成形（MIM）、其他金属体系的BJ和选定的融合基增材制造技术的代表性研究仅在其提供有关氧化膜演化、液相烧结、孔隙演化、扩散行为或与BJ铝合金相关的烧结后机理的见解时才被纳入。因此，对选定文献进行了批判性评估，以建立关于控制BJ铝合金的加工-微观组织-性能关系的连贯理解。在整个综述中，优先考虑来自BJ铝合金的直接实验证据，同时纳入补充研究以在直接BJ证据不足时提供机理解释。

**章节摘要**

**粉末特性**

在铝合金及其合金的粘结剂喷射增材制造中，粉末特性从根本上控制着粉末铺展行为、生坯堆积密度、烧结动力学，并最终影响所制造部件的尺寸精度、微观组织和力学性能[9]、[10]、[11]、[12]。与融合基增材制造路线不同，后者局部熔化主导缺陷形成，BJ高度依赖于粉末床质量和颗粒间接触特性。

**生坯成型与工艺控制**

生坯成型代表了铝合金粘结剂喷射中的核心成形阶段。与融合基增材制造工艺不同，后者通过局部熔化和凝固建立结构完整性，BJ依赖于通过反复的粉末铺展、选择性粘结剂沉积和逐层固结形成粉末-粘结剂网络。所得的生坯作为最终部件的结构前驱体，其质量直接决定后续加工的可行性。

**固化与脱脂行为**

生坯成型后，打印的铝合金部件具有足够的几何完整性，但机械性能仍然脆弱，因为颗粒结合主要由有机粘结剂网络提供。因此，生坯表现出相对较低的强度和有限的抗搬运损伤能力，使直接运输、去粉或热处理变得不切实际[15]、[56]。为了将打印结构转化为热稳定的金属骨架，必须进行固化和脱脂处理。

**氧化膜与致密化瓶颈**

在所有控制BJ铝合金烧结行为的因素中，粉末表面存在的原生氧化膜被广泛认为是致密化的最关键障碍。与钢和其他许多金属体系不同，铝粉末在雾化后立即暴露于空气中，就会自发地被一层密实且热力学稳定的Al?O?层覆盖。这种氧化膜通常处于纳米尺度，其厚度和特性取决于粉末制备方法和暴露条件。

**热处理对BJ铝合金性能的影响**

尽管通过优化烧结可以取得显著致密化，粘结剂喷射铝合金部件仍可能含有残余孔隙、先验颗粒边界（PPBs）、第二相的不均匀分布以及烧结和冷却过程中产生的残余应力。这些微观组织特征会限制最终部件可达到的力学性能和尺寸稳定性[128]、[129]、[130]。因此，烧结后热处理对于实现理想的力学性能至关重要。

**BJ成型铝合金的典型性能与应用**

目前，研究用于粘结剂喷射的铝合金主要包括6xxx系列合金（如Al 6061）、2xxx系列合金（如Al 2024）和Al-Si合金（如AlSi10Mg），它们表现出不同的强化特性和潜在应用场景。由于材料灵活性和无需支撑结构即可制造复杂几何形状的能力，BJ受到了越来越多的关注[136]。加工条件及相应的性能数据为理解工艺-性能关系提供了重要参考。

**铝合金粘结剂喷射的前景展望**

前述章节表明，在铝合金粘结剂喷射（BJ）增材制造方面已取得显著进展，特别是在粉末设计、生坯成型、液相烧结、气氛控制、烧结助剂开发和烧结后热处理方面。在一些铝合金体系中报告了超过95-99%的相对密度和接近铸造或锻造成品材的力学性能。然而，要实现工业级应用，仍需解决若干关键技术挑战。

**CRediT作者贡献声明**

赵泽：写作 – 审阅与编辑。李俊超：写作 – 审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取。李雨月：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿撰写、可视化、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念化。张天畅：可视化、数据整理、概念化。周维民：资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明以下资金相关信息，无其他竞争的财务或个人利益：本工作由国家自然科学基金（项目编号51775069）资助。资助方仅提供购买实验设备和消耗品的研究经费，未干预研究设计、数据获取、结果解释和稿件准备。无咨询收入、股权所有权、专利收益等。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金（项目编号51775069）支持。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

李雨月 | 张天畅 | 周维民 | 赵泽 | 李俊超
重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044，中国