近年来，随着科技的进步，铝合金产业对产品质量提出了更高的要求，推动了铝合金制备技术的创新与优化^[1−2]。3D打印技术对复杂零件的制造具有独特的创新性和潜力，因此在铝合金产业领域展现出广阔的发展前景，有望成为高质量铝合金制造领域的主流趋势。相较于传统的铝合金制备技术，3D打印技术工艺灵活，既能降低制造成本，又能满足复杂形状零部件的制造要求，可以实现铝合金铸件的快速、小批量及定制化生产^[3]。我国国产3D打印铝合金的拉伸强度和屈服强度等均较高，其性能已与国外空中客车公司研发的高强铝合金粉末产品相当，目前已在航空航天领域得到广泛应用^[4]。研究发现，采用大型整体式铝合金构件不仅能提高构件的寿命和可靠性，还能使构件质量减轻15%~20%，这展现出高强铝合金在航空领域的重要地位，为航空工业的发展提供了关键支撑^[5−7]。采用高强度铝合金制造的船只，不仅降低了自身质量、提高了行驶速度，还增强了抵御海水侵蚀的能力，显著改善船舶性能。3D打印技术能够高质量地制备出多种复杂的船舶零件，如气缸体、水泵导管、船体外壳、减速箱外壳、泵壳体、涡轮叶片、高压阀件、机座支架及管道等。这些零件具有复杂的内部结构及高度的异型体特征，传统制备工艺难以实现生产，且无法保证其使用性能^[8−10]。因此，3D打印技术在复杂零部件制造方面更具潜力。从军工产品到民用产品，从海上巡逻船到海下舰艇，从小型汽艇到大型万吨油轮，铝合金产品在造船行业的应用范围正不断扩大，具有广阔的发展前景。然而，3D打印技术也面临着诸多挑战，如工艺稳定性欠佳、材料性能有待提高等，需要进一步研究和改进。

特殊的铝合金零件在各种复杂环境中服役，必须掌握铝合金材料在不同温度下的热物性参数，对于研究其新工艺及服役寿命具有重要的参考价值。随着导热领域需求量的增大和热管理学科领域的逐步发展完善，热测量成为导热材料性能研究的关键和突破口。导热系数和热扩散系数是反映材料热传导性能的重要物理参数，测量导热系数的常用方法包括热线法、热流法、保护热板法和激光闪射法。其中，激光闪射法（LFA）属于导热测试中的瞬态法，即测量时样品温度会随时间而变化，通过分析变化曲线得到特征物理量，从而推断出样品的接触热阻^[11]。相较于其他方法，激光闪射法采用非接触式测量，有效避免因接触产生的接触热阻，使测量结果更接近实际样品的导热参数，不但可以准确、直接地测量热扩散系数，还可以利用材料的比热容、密度推算出导热系数。由于其测量范围广、速度快、样品简单易加工，在各个行业得到广泛应用^[12]。

李经怀等^[11]运用激光闪射法测量4种不同厂家制造的690合金传热管的导热系数，并对20~400 ℃下的测量数据进行线性拟合，可直接求得该温度范围内任一温度下的导热系数，为蒸汽发生器传热计算提供可靠参数。李艳等^[13]采用激光闪射法测量氮化硅陶瓷基板的导热系数，详细介绍NETZSCH LFA 467激光导热仪的测试原理及不同支架的测试方法与实践应用。张雅淋等^[14]借助激光闪射法测量金刚石的热导率，实现对样品的无损测试。张振威等^[12]通过激光闪射法导热仪测定不同工作温度下铝合金活塞的比热容、热扩散系数和导热系数，研究发现，随着工作温度的升高，该铝合金活塞的热扩散系数逐渐降低，比热容逐渐增大，而导热系数则呈逐步上升趋势。

本文基于激光闪射法对3D打印铝合金的热扩散系数、比热容和导热系数进行研究，分析不同温度下这些参数的变化规律，为船舶、航空领域用高强度3D铝合金技术的改进提供了重要依据。

1. 实验原理

1.1 测量原理

激光闪光分析又称激光闪射法，是一种用于测量不同材料热扩散率的方法。该方法的测量原理如下：通过能量脉冲加热平面平行样品的前端面，测量样品背面吸收脉冲后温度随时间变化的升高量。样品的热扩散率越高，能量到达背面的速度越快。具体操作时，需先将制备好的样品置于充满保护气体的样品室，再利用激光脉冲对样品进行短时间辐照，最后通过红外检测器检测并记录样品温度的变化过程，其原理如图1所示。热扩散系数反映了物体中某点温度扰动传递到另一点的速率，材料的热扩散系数越大，其传热速度就越快。样品导热系数的计算见式（1）^[15]。

图 1激光闪射法原理示意

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式中：$\lambda$为导热系数，W/(m·K)；$\alpha$为热扩散系数，m²/s；$\rho$为密度，kg/m³；$c_p$为比定压热容，J/(kg·K)。

1.2 热扩散系数的计算原理

在利用激光闪射法测量热扩散系数时，设定以下初始条件：

（1）热量仅沿垂直方向一维传播，无横向热传播，且样品表面无热量损失；

（2）光源能量强度相同，且能量吸收仅发生在样品表面层；

（3）样品材质均匀、不透光，且其物理性质不随温度变化；

（4）激光脉冲作用时间极短，可忽略不计。

温度恒定时，样品背面的温度随时间变化的表达式见式（2）^[16]。

式中：T为温度，K；x为距离样品正面的距离，m；t为响应时间，s；L为样品厚度，m；n为自然数。

一个能量脉冲Q（单位：J）从样品正面x=0处瞬间射入且被均匀吸收，假设吸收层深度为g（单位：mm），则此时的温度分布计算见式（3）。

初始条件下，样品背面的温度随时间变化的表达式见式（4）。

不透光样品的g值极小，因此有sin(nπg/L) =nπg/L。当x=L时，样品背面的温度随时间变化的表达式见式（5）。

引入2个无量纲参数V和ω，表达式分别见式（6）~（7）。

式中：$T_{max}$为样品背面的最高温度，K。

根据式（5）和式（7），可得到式（8）。

当V=0.5、ω=1.38时，材料的热扩散系数计算见式（9）。

式中：$t_{0.5}$为样品背面温升达到最高温度的一半所需的时间，s。

1.3 比热容的计算原理

激光闪射法是将一个标准样与多个待测样品同时放入样品室内，保证其在相同条件下进行测试，吸收相同激光能量强度的脉冲辐射，可由能量平衡方程求得测试样品的比热容^[17]，表达式见式（10）。

式中：$c_{p\mathrm{x}}$为待测样品的比定压热容，J/(kg·K)；$c_{p\mathrm{B}}$为标样比定压热容，J/(kg·K)；$m_{\mathrm{B}}$为标样质量，g；$\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{B}}$为标样受到激光辐照后的最大温升，℃；$m_{\mathrm{x}}$为待测样品的质量，g；$\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{x}}$为待测样品受到激光辐照后的最大温升，℃。

2. 实验设计

采用NETZSCH LFA 467 HyperFlash C型闪射法导热仪测量3D打印铝合金的导热性能，该仪器在25~500 ℃下进行测试，最大升温速率为50 ℃/min，数据采集频率最高达2 MHz，热扩散系数测量范围为0.01~2000 m²/s，导热系数测量范围为0.01~4000 W/(m·K)。实验所用样品为直径12.7 mm、厚度2.5 mm的圆片，样品密度为2.81 g/cm³。实验前，在样品表面均匀喷涂一层石墨，以提高样品吸收能量的能力。实验温度为25、100、200、300、400、500 ℃，每个温度进行3次激光闪射测量。实验保护气体为氩气，参比标准样品分别为石墨标样、Cu标样及310不锈钢标样，测试电压为250 V，脉冲宽度为600 μs。

3. 数据处理与分析

图2为以石墨为标样时，不同方向3D打印铝合金样品在25~500 ℃条件下的热物性测量结果随温度变化图。由图2可知，在同一标样下，3D打印铝合金样品的热扩散系数随着温度的升高而增大，且横向样品的热扩散值明显高于竖向；比热容同样随着温度的升高而增大，竖向值略高于横向值。这是由于在样品受热升温的非稳态过程中，热扩散系数大的样品热传播速率快，热量损失少。不同方向的3D打印铝合金样品，其导热系数随着温度的升高逐渐增大，且横向热扩散系数明显高于竖向。这是因为在3D打印过程中，z轴方向（竖向）层间黏结力有限，合金组织间存在微间隙，导致热传播受阻。金属材料的导热由电子运动形成，温度升高使电子热运动速率加快，从而提高材料的导热性能和散热能力。

图 2以石墨为标样的3D打印铝合金样品热物性参数变化：(a)热扩散系数；(b)比热容；(c)导热系数

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图3为以铜为标样时，不同方向3D打印铝合金样品在25~500 ℃条件下的热物性测量结果随温度变化图。由图3可知，以Cu为标样的热扩散系数变化趋势与石墨相似：随着温度升高，热扩散系数均呈增大趋势，但横向与竖向的参数均小于石墨标样下测得的数据。以Cu为标样的导热系数和比热容值呈现先增加后减小趋势，测量结果在400 ℃时达到最大值，且该数值与石墨标样相差较大，远低于理论值。

图 3以Cu为标样的3D打印铝合金样品热物性参数变化：(a)热扩散系数；(b)比热容；(c)导热系数

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图4为以310不锈钢为标样时，不同方向3D打印铝合金样品在25~500 ℃条件下的热物性测量结果随温度变化图。由图4可知，导热系数同样随温度升高而增大。横向导热系数普遍大于竖向，这与石墨标样和Cu标样基本规律基本一致。该标样下测得的比热容和导热数值远低于石墨标样，该数值与Cu标样测量结果相差不大。

图 4以310不锈钢为标样的3D打印铝合金样品热物性参数变化：(a)热扩散系数；(b)比热容；(c)导热系数

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图5为3D打印铝合金的原始显微组织，结合铝合金金相图分析可知，横向与竖向样品的微观组织缺陷较少，结构致密均匀，整体呈“鱼鳞”状，有效保证铝基体的连续性。但材料的竖向结构在3D打印过程中存在不同层间的热传递，导致组织均匀性不如横向，因此横向导热系数大于竖向，且二者均随温度升高而增大。

图 53D打印铝合金样品原始显微组织：(a)横向；(b)竖向

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综上所述，不同参比标样测得的3D打印铝合金样品的热物理参数存在差异。当温度一定时，样品的热扩散系数受标样影响较小；导热系数方面，以Cu为标样时样品的横向和竖向数值最小，以石墨为标样时数值最大，310不锈钢标样结果介于两者之间。由于石墨标样所得热物理参数更接近铝合金导热系数的理论值，建议选用石墨标样作为测量3D打印铝合金样品热物理性能的参比样品。目前，各大实验室及学术研究中均采用石墨标样，所测数据可以准确反映材料的热物性参数^{[11−12,18−19]}。

4. 结束语

（1）以Cu为标样时，3D打印铝合金样品的横向和竖向导热系数最小，以石墨为标样时横向和竖向导热系数最大，310不锈钢标样结果介于两者之间。由于石墨标样测得的热物理参数更接近铝合金导热系数的理论值，建议选用石墨标样作为测量3D打印铝合金样品热物理性能的参比样品。

（2）在3D打印过程中，受层间热传递影响，材料的竖向均匀性较横向差，以石墨为标样的热扩散系数和导热系数随温度升高而增大，横向热扩散系数和导热系数均高于竖向。

（3）随着实验温度的升高，以石墨为标样的3D打印铝合金样品的比热容逐渐增大，竖向值高于横向值。本文实验结果为3D打印铝合金热物性参数的进一步研究与应用提供了理论指导

来源--金属世界