劉錦輝,　史金光,　李　亞

(1.黑龍江科技大學 機械工程學院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022)

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選擇性激光熔化AlSi10Mg合金粉末的成形工藝

劉錦輝1,史金光1,李亞2

(1.黑龍江科技大學 機械工程學院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022)

為了研究AlSi10Mg合金粉末的選擇性激光熔化成形,采用不同的工藝參數,進行了單層單道掃描實驗和單層多道掃描實驗。分析激光功率、激光掃描速度、掃描間距對激光掃描軌跡寬度和表面質量的影響。檢測不同參數下選擇性激光熔化成形的AlSi10Mg合金塊的致密度,分析成形件致密度與能量密度的關系,成形件的組織和性能,對成形件進行硬度測試。結果表明:激光功率在240～280 W,掃描速度在1 000～1 400 mm/s,掃描間距在0.06～0.08 mm時,掃描軌跡成形質量最佳。與傳統(tǒng)鑄造AlSi10Mg合金零件相比,SLM成形的零件具有更好的性能。

AlSi10Mg合金; 選擇性激光熔化; 工藝參數; 致密度; 微觀組織

0　引　言

三十多年來,增材制造技術(ALM)已經廣泛地適用于各種材料[1-4]。盡管增材制造的生產設備種類很多,但它們的工作原理都比較相似,都是通過一系列的二維切片來加工得到三維模型。近幾年,ALM技術,如電子束熔融(EBM),激光直接制造(DLF)和選擇性激光熔化(SLM)等技術,已經越來越多地應用于金屬零件的“快速成形”[5-6]中。航天航空領域使用的Ti合金和Ni基高溫合金零部件主要采用SLM粉末成形技術[7-8],潛在成本的減少,生產工藝的減少以及設計的自由化等因素都極大地促進了該項技術的發(fā)展。近年來,由于工業(yè)領域對復雜結構輕量化的需求,所以對有關鋁合金增材制造眾多學者作了大量研究[9]。

AlSi10Mg合金是一種經常用于直接鑄造的傳統(tǒng)鑄造合金。因其接近Al-Si共晶成分,所以具有較好的焊接性。Mg作為β'相和Mg2Si相(β相)在失效硬化中起到了重要的作用[10]。SLM成形技術是利用高能激光將金屬粉末完全熔化,經快速冷卻凝固成形。工藝參數會影響熔化燒結層的宏觀尺寸和成形零件的精度,具體表現在熔化軌跡的寬度、連續(xù)平整度程度以及成形零件的表面質量等方面[11-14]。在成形過程中,可以通過控制成形工藝參數,得到組織致密,性能優(yōu)良的零件。單層單道掃描實驗、單層多道掃描實驗,是優(yōu)化工藝窗口的基礎性實驗。筆者研究了激光功率、掃描速度、激光能量密度對SLM AlSi10Mg合金性能的影響,并對使用最優(yōu)工藝參數加工獲得的具有最小孔隙度和孔洞的試樣,進行了致密度、微觀組織和機械性能測試。

1　實驗材料與設備

實驗使用AlSi10Mg合金粉末,各元素質量分數如表1所示。圖1為AlSi10Mg合金粉末的掃描電鏡(SEM)顯微形貌。

表1　AlSi10Mg合金粉末的化學成分

圖1　粉末顆粒電鏡照片

實驗采用的選擇性激光熔化設備為自主研發(fā),該設備使用IPG公司的500 W光纖激光器,三維動態(tài)聚焦掃描振鏡,成形密封腔采用抽真空再通入高純氬氣(99.99%)保護,基板采用鋁合金?；褰洘o水乙醇清洗后,固定在成形缸中,鋪粉輥預置一層AlSi10Mg合金粉末,鋪粉厚度為0.05 mm。采用不同的工藝參數分別進行單層單道掃描和單層多道掃描,利用光學顯微鏡觀察成形熔道形貌。使用優(yōu)化工藝參數成形的AlSi10Mg試樣,測定其致密度,由掃描電鏡和光學顯微鏡觀察截面的形貌與金相組織,測定其顯微硬度。

2　結果與討論

2.1單層單道掃描實驗

SLM技術是由線到面再到體的成形過程,因此,研究激光單層單道熔化軌跡,對了解面和體的成形規(guī)律,以及優(yōu)化成形參數有著重要的意義。其中,激光功率和掃描速度對單道掃描熔寬的特征和形狀有重大影響。

2.1.1激光功率對掃描線寬的影響

在不同激光功率下進行單層單道掃描實驗,對成形線寬進行測定,激光功率與單道掃描線寬的關系如圖2所示。具體工藝為:激光掃描功率從160逐步增大至320 W,激光掃描速度1 200 mm/s,掃描間距0.08 mm。

由圖2可見,激光掃描速度一定時,隨著激光功率的不斷增大,單層單道掃描成形線寬不斷增加,最終有趨于平穩(wěn)的趨勢。這是由于鋁合金的激光反射率較大,激光功率較小，金屬粉末不能充分熔化,掃描線不連續(xù),容易出現斷線現象。隨著激光功率的增大,金屬粉末吸收的能量增加,熔池區(qū)域面積增大,掃描線寬逐步增加。但激光光斑直徑一定,掃描成形線寬最終趨于平穩(wěn)。

圖2　激光功率與單道掃描線寬的關系

Fig. 2Relation among laser power and width of single scan

圖3為不同功率下單層單道掃描線形貌。由圖3可見,激光功率在160～220 W時,掃描線表面質量及整體連續(xù)程度較差,這是因為較小的激光功率下,金屬粉末不能充分熔化,易形成獨立的小熔池,固化后產生孔隙和裂紋等缺陷。激光掃描功率在240～280W時,掃描線的成形表面質量與連續(xù)性得以改善,表面較為平整光滑。激光掃描功率增加至300 W以上時,掃描線表面形貌有惡化傾向,表面出現輕微的褶皺、氣孔及球化缺陷。這是由于較大的激光功率使熔池內對流作用加劇,同時會產生過燒跡象,金屬粉末發(fā)生氧化,表面質量變差。經分析認為:激光掃描速度為1 200 mm/s,掃描間距0.08 mm,激光功率在240～280 W范圍內時,掃描線表面質量較好。

圖3　不同功率下的單層單道掃描線形貌

Fig. 3Surface morphology of single scan under different laser power

2.1.2激光掃描速度對掃描線寬的影響

在不同掃描速度下進行單層單道掃描實驗,對成形線寬進行測定,繪制掃描速度與線寬的關系曲線如圖4所示。具體工藝為:掃描速度從800增大至2 200 mm/s,激光功率250 W,掃描間距0.08 mm。

圖4　激光掃描速度與掃描線寬的關系

Fig. 4Relation among scan speed and width of single scan

由圖4可見,掃描線寬隨著激光掃描速度的增加而不斷減小。這是因為隨著激光掃描速度的不斷增加,激光作用在金屬粉末上的時間越來越短,金屬粉末吸收的輻射能量越來越少,熔池變小,最終導致單層單道掃描成形線寬減小。

圖5　不同掃描速度下的單層單道掃描線形貌

Fig. 5Surface morphology of single scan under different scan speed

結合圖5可以發(fā)現,掃描速度越低掃描線寬度越大,掃描線表面存在褶皺且氧化明顯。這是由于功率一定時,掃描速度(v<1 000 mm/s)越低金屬粉末吸收能量越多,熔池內的對流作用越強,成形液面也越不穩(wěn)定,且容易氧化。當掃描速度在1 000～1 400 mm/s時可以發(fā)現掃描線的寬度比較均勻,表面質量相對較好。當掃描速度大于1 500 mm/s時,掃描線的表面質量變差,線寬減小。掃描線質量不斷惡化。綜合分析,激光功率為250 W,掃描間距為0.08 mm,掃描速度在1 000～1 400 mm/s時,掃描線的質量最優(yōu)。

2.1.3線能量密度對掃描線寬的影響

研究激光功率和掃描速度單獨對單道掃描熔池特征的影響,可以發(fā)現,掃描線的形貌與表面質量是受激光功率與激光掃描速度共同影響的。從能量的角度定義為

E1=P1/v

(1)

式中:E1——激光線能量密度,J/mm;

P1——激光能量,W;

v——激光掃描速度,mm/s。

由圖6可以看出,隨著激光線能量密度的增大,掃描線寬也隨之增大,并最終趨于平穩(wěn)。隨著激光與粉末接觸時間增長,液態(tài)金屬量增多,進而成形軌跡寬度變寬,但是粉末厚度和體積是一定的,激光能量密度繼續(xù)增大,液態(tài)金屬量達到最大值趨于恒定。

圖6　線能量密度與掃描線寬的關系

Fig. 6Relation among energy density and width of single scan

2.2單層多道掃描實驗

SLM成形技術是通過多層成形面的疊加成為復雜的零部件,每層成形面的質量決定著零件整體的質量與精度,因此,對單層成形面的表面質量研究至關重要。單層成形面的表面質量和掃描線的搭接率,受多重因素(激光功率、掃描速度、掃描間距)的影響,通過定義激光能量密度來綜合這些因素的影響。激光能量密度是指單位體積的合金粉末所吸收的激光能量。表達式為:

E=P1/(v·s·d)，

(2)

式中:s——激光掃描間距,mm;

d——鋪粉厚度,mm。

掃描間距是用以表征相鄰兩個平行掃描路徑的激光光斑中心點的距離的重要參數。由于鋁合金粉末導熱系數大,導熱能力較強,且激光反射率高,所以為了達到較好成形效果,提高成形效率,實驗采用較高的激光功率。具體工藝參數為,激光功率250 W、掃描速度1 200 mm/s、鋪粉層厚0.05 mm。分別成形了掃描間距為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 mm的多道面軌跡,研究不同掃描間距對成形軌跡表面形貌和質量的影響規(guī)律。圖7為不同掃描間距下的成形表面的顯微形貌。

從圖7可見,掃描間距過大時,相鄰兩條掃描線彼此分離,如圖7f所示,成形過程中會產生球化和夾渣等缺陷;當掃描間距s大于激光光斑半徑而小于激光光斑直徑時,相鄰掃描線相互連接且基本均勻,如圖7b～e,隨著掃描間距s的減小,成形表面光潔度提高,成形表面致密且平整如圖7b、c;當掃描間距小于激光光斑半徑時,相鄰掃描線大部分重疊,如圖7a,成形表面平整度較差。通過以上分析發(fā)現,當激光能量密度在100 J/mm3時,掃描間距在0.06～0.08 mm成形面的表面質量最優(yōu)。

2.3變向重熔對成形面質量的影響

SLM成形是通過單層成形面的層層疊加,最后得到完整零件的增材制造技術。因此,單層成形面的表面質量直接影響著最終成形件的總體性能。通過研究掃描間距對成形軌跡表面質量的影響,發(fā)現掃描間距在0.06～0.08 mm成形面的表面質量較好,但是表面仍有明顯的凸起、凹痕和球化現象。這些缺陷將直接影響到下一層成形面的鋪粉效果、成形精度和成形質量,最終導致成形零件內部產生孔隙,零件致密度較低。另外,如果球化較為嚴重,則會直接損壞金屬零件、致使鋪粉過程無法進行。因此,成形面變向(90°)重熔對研究成形表面形貌有重要的意義。圖8所示為不同掃描間距下變向(90°)二次重熔后的顯微形貌。通過與圖7重熔前的掃描形貌對比可以發(fā)現,重熔后成形面的表面質量明顯得到改善,表面變得平整,凸起和凹痕明顯淡化,球化減少,氧化物雜質減少。變向重熔可以很好地改善成形面的表面質量,更有利于層與層之間的致密化結合。

圖7　不同掃描間距下的成形表面的顯微形貌

Fig. 7Surface morphology under different scan space

圖8　不同間距單層變向重熔后顯微形貌

Fig. 8Remelting surface morphology of single layer in different direction under different scan space

2.4塊體成形及組織性能分析

通過上述較優(yōu)工藝參數進行實驗塊體成形,具體工藝參數見表2。每組參數成形四個試樣,成形試樣塊體尺寸為10 mm×3 mm×10 mm。根據阿基米德原理測試試樣的致密度(w),觀察致密度最高試樣的截面形貌與金相組織并進行顯微硬度測試。

表2　加工工藝參數

2.4.1塊體致密度分析

通過表2可知,第一,在其他參數相同的情況下,隨著掃描間距的增加,試樣的致密度下降,這是因為在其他參數不變的情況下,激光熔化的熔池寬度是一定的,增大掃描間距,會導致搭接率的降低,兩相鄰的熔池之間會形成較深的凹痕,凹痕內容易聚集氧化物,雖然在成形過程中,采用了變向二次重熔,但是仍然會影響每次成形面的表面質量,最終影響整體試樣的致密性。第二,在其他成形條件不變的情況下,隨著激光掃描速度的增加,試樣的致密度下降,但是下降幅度較小,這是因為在激光功率相對較大時,速度在一定范圍內變化導致的激光的能量吸收變化比較小。第三,在其他參數不變的情況下,隨著激光功率的增加,致密度增加,這是因為隨著激光功率的增加溫度較高,有利于金屬液較好地流動和內部氣體的排除,減少了氣孔和凹痕的形成。因此致密度增加。第四,通過對比表中能量密度與致密度的數據可以發(fā)現,在一定的范圍內,隨著激光能量密度的增加,試樣的致密度也在增加。

2.4.2顯微分析

對成形試樣致密度最高的一組進行金相分析,試樣的顯微形貌如圖9～11。由圖9可見,試樣內部存在圓形和不規(guī)則的缺陷,利用掃描電鏡(SEM)對拋光截面進行觀察,由圖10可以看到圓形孔洞表面光滑,分析原因可能是由于金屬液凝固太快,內部的氣體無法及時溢出所形成的氣孔。較大的不規(guī)則孔洞內壁粗糙,可以明顯看到未充分熔化的金屬粉末和金屬氧化物,這表明未完全熔化的金屬顆粒在這些地方引起了粉末凝聚,金屬氧化物也傾向在此聚集。這些缺陷會導致成形工件致密度的減小。由圖11a可見,試樣的顯微形貌內存在許多微小區(qū)域,區(qū)域邊界明顯,這是由于當激光掃描速度一定時,熔池內部溫度不同,凝固順序也不同,由圖11b可見,熔池中心有良好的微觀結構,試樣微觀組織的特點以α-Al基體(亮相)和共晶硅顆粒(暗相)的大小和分布為主,α-Al樹枝晶和枝晶間的Si顆粒由熔池中心向熔池邊緣過渡,晶粒變得粗糙且細長,而非各向等大。與圖12 對比,可以發(fā)現,SLM成形AlSi10Mg合金的金相組織中共晶硅相更加細小,這是由于成形過程中金屬粉末在激光的作用下,快速熔化,快速凝固的成形特點引起的。因此,可以初步判斷SLM成形的試件較鑄態(tài)的試件有更好的機械性能。

圖9　SLM 試樣低倍拋光截面

圖10　SLM合金試樣拋光截面SEM圖

Fig. 10SEM image of SLM sample surface mophorlogy

圖11　SLM 合金試樣垂直掃描方向的金相顯微組織

Fig. 11Microstructure of SLM sample in vertical direction of scan

對成形塊體進行硬度測試,傳統(tǒng)鑄件顯微硬度約為86 HV,壓鑄件的硬度在95～105 HV,平均101 HV,通過對比,SLM成形的AlSi10Mg試件的硬度高于砂型鑄造試件,與壓鑄方式成形的AlSi10Mg試件硬度值相當,略優(yōu)于壓鑄件。

3　結　論

(1)通過單層掃描實驗,得出在高功率、低速度的情況下,掃描軌跡成形質量最佳。最終得出合適的激光功率為240～280 W,激光的掃描速度為1 000～1 400 mm/s。通過分析單層多道掃描形貌,可進一步優(yōu)化掃描間距,優(yōu)化后的掃描間距為0.06～0.08 mm。

(2)激光線能量密度對掃描軌跡的寬度有密切的關系,隨著激光線能量密度的不斷增大,單層單道掃描成形線寬不斷增加,最終趨于平穩(wěn)。激光功率、掃描速度和掃描間距對SLM成形AlSi10Mg合金粉末影響較大。選用優(yōu)化的掃描間距,適當地增加激光功率,降低掃描速度可以獲得連續(xù)性和表面質量都較好的熔道。

(3)SLM成形AlSi10Mg合金粉末時,采用正交變向的掃描方式,層層多次重熔,可以減少氣孔和球化等缺陷,改善成形面的表面質量,增加零件的致密性。

(4)通過顯微結構分析和金相組織分析得出,氣孔和沒有充分熔化的粉末顆粒是影響成形件致密化的主要因素,與傳統(tǒng)鑄造AlSi10Mg合金零件相比,SLM成形的AlSi10Mg零件金相組織中晶粒更加細小均勻,因此其具有更好的性能。

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(編輯徐巖)

Study on selective laser melting process and forming of AlSi10Mg alloy powder

LIUJinhui1,SHIJinguang1,LIYa2

(1.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper deals with the single-layer single-channel experiment and single-layer multi-channel experiment performed by using different process parameters to study the selective laser melting (SLM) forming process of AlSi10Mg alloy powder. This study consists of analyzing the effects of laser power, laser scanning speed, scanning interval on melting channel width and surface quality; testing the density of SLM AlSi10Mg samples formed under different parameters and analyzing the relationship between energy density and the sample density; and testing the microstructure and property, and micro-hardness. The results show that the optimal scanning track quality is governed the given process parameters: laser power between 240～280 W, scanning speed between 1 000～1 400 mm/s, scanning interval between 0.06～0.08 mm; SLM-produced AlSi10Mg parts perform much better than conventionally cast AlSi10Mg ones .

AlSi10Mg alloy; selective laser melting; process parameters; density; microstructure

2015-09-05

黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD201104)

劉錦輝(1973-),男，江西省贛州人,教授,博士,研究方向:激光成形制造,E-mail:backmyself@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.010

TG665

2095-7262(2015)05-0509-07

A