slm成形alsi10mg合金的研究

選擇性激光硬化（slm）是一種基于分散堆棧概念的定量制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的材料去除工藝相比，利用能源束激光層選擇性金屬粉末，形成金屬零件。它具有生產(chǎn)短期存在、零件幾何形狀復(fù)雜、材料加工類型等顯著優(yōu)勢(shì)。SLM主要應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械及模具制造等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的制造,并取得快速的進(jìn)展。目前,SLM成形的材料主要是不銹鋼粉末、鈦合金粉末、鎳基合金等。鋁合金作為輕金屬材料,以其優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能,在航空航天、高速列車及輕型汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而,鋁合金粉末極易氧化,并且在激光作用下極易產(chǎn)生氧化膜,這阻礙了逐層堆積的進(jìn)行。目前,SLM成形的鋁合金材料主要集中在Al-Si系合金。國外對(duì)SLM成形鋁合金中的氧化、殘余應(yīng)力、孔隙缺陷極致密度等問題進(jìn)行了初步研究,但仍沒有徹底弄清氧化機(jī)理和其他缺陷產(chǎn)生的根本原因及優(yōu)化規(guī)律。鑒于此,本文研究SLM成形AlSi10Mg合金粉末,并對(duì)其工藝參數(shù)如激光功率、掃描速度和掃描間距等進(jìn)行優(yōu)化,并分析了影響SLM成形AlSi10Mg零件性能的因素,并為將來SLM成形高性能的航空航天鋁合金零件奠定基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)材料和方法實(shí)驗(yàn)室使用的AlSi10Mg合金粉末的元素含量如表1所示。采用激光粒徑分析儀對(duì)AlSi10Mg合金粉末進(jìn)行粒徑分析,其粒徑分布主要在15~60μm。該合金粉末的SEM圖片如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程采用的選擇性激光熔化設(shè)備為自主研發(fā),該設(shè)備使用IPG公司的200W光纖激光器,三維動(dòng)態(tài)聚焦掃描振鏡,采用抽真空外加氬氣的保護(hù)氣氛。實(shí)驗(yàn)首先采用不同的工藝參數(shù)進(jìn)行單道掃描,其次采用不同工藝參數(shù)多道單層掃描,然后采用光學(xué)顯微鏡觀察成形的熔池形貌。在優(yōu)化工藝參數(shù)后,預(yù)先成形出簡單鋁合金件,并測(cè)定其致密度。2結(jié)果與分析2.1單道纖維化實(shí)驗(yàn)單道掃描是SLM成形的基礎(chǔ),單道熔池能反映出激光與AlSi10Mg粉末的作用機(jī)理,包括常見的球化現(xiàn)象,腔體內(nèi)保護(hù)氣氛的影響,激光功率及掃描速度對(duì)熔池性能的影響。采用不同工藝參數(shù)組合,在鋁合金基板上進(jìn)行鋁合金粉末單道熔化實(shí)驗(yàn),通過光學(xué)顯微鏡觀察,研究激光功率、掃描速度對(duì)單熔化道形貌和寬度的影響規(guī)律。最終由單道實(shí)驗(yàn)得出的優(yōu)化工藝窗口,試驗(yàn)中各個(gè)工藝參數(shù)范圍如表2所示,單道掃描熔池寬度、激光功率及掃描速度之間的關(guān)系如圖2所示。2.2掃描間距及掃描方向?qū)lsi10gm粉末表面形貌的影響表面質(zhì)量在單道掃描的基礎(chǔ)上進(jìn)行多道掃描實(shí)驗(yàn),而掃描間距是多道掃描的關(guān)鍵參數(shù),它影響著成形的表面形貌和質(zhì)量。同時(shí)研究了重熔對(duì)多道掃描質(zhì)量的影響,因?yàn)橹厝劭墒沟谝淮味嗟罀呙柚谐霈F(xiàn)的球化現(xiàn)象、單道熔池之間的搭接不均勻及氧化膜問題得到解決。基于單道掃描熔池的寬度,分別研究了不同掃描間距對(duì)單層掃描的質(zhì)量影響,圖3分別是掃面間距為0.04、0.06、0.08mm的SLM成形AlSi10Mg的照片。可看出,掃描間距過小容易產(chǎn)生球化,主要是因?yàn)槿鄢刂g堆疊較多,產(chǎn)生過高凸起,易產(chǎn)生球化。除此之外,表面的不平整導(dǎo)致下一掃描層的凸起增加,由于累計(jì)效應(yīng)可導(dǎo)致SLM成形AlSi10Mg零件的失效。掃描間距過大會(huì)導(dǎo)致區(qū)域某些區(qū)域熔化不夠完全,或者部分熔池之間部分搭接不夠良好,也會(huì)影響下層的成形質(zhì)量。即使掃描間距選擇比較適當(dāng),球化現(xiàn)象較少。從圖3(b)可看出,表面的平整度還是不是太高,尤其是在兩個(gè)熔池的搭接處。所以,在未鋪鋁合金粉末之前,對(duì)已經(jīng)掃描過的單層再次進(jìn)行掃描,即重熔,不僅能使掃描層表面平整,還能去除表面的球化現(xiàn)象及氧化物雜質(zhì),有利于層與層之間的熔合。由于鋁合金粉末較易氧化,即使在較低氧氣含量(10-52O2,600℃)條件下也十分容易發(fā)生氧化,在本實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的密封腔體內(nèi),抽真空外加通入高純氬氣保護(hù)也無法避免氧化物的產(chǎn)生。所以SLM成形AlSi10Mg粉末時(shí),重熔再去除氧化物等雜質(zhì)是一種有效的方法。圖4是單層掃描成形AlSi10Mg粉末未重熔和重熔后表面形貌。可看出,重熔后的表面形貌比未重熔的表面形貌要好,不僅氧化物較少,表面比較清潔,在熔池與熔池之間的搭接也比較好。因此,重熔后的單層比未重熔的單層,更利于下層的連接,使層與層之間更能致密的結(jié)合在一起。然而,即使重熔的效果如此明顯,但是仍有不足地方。即熔池與熔池之間搭接的地方的氧化物等雜質(zhì)無法更好的去除掉,因?yàn)橹厝鄣膾呙杪窂脚c第一次掃描的路徑完全一致,這樣只能最大限度去除熔池表面的氧化物等雜質(zhì),在熔池的搭接處依然無法去除。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)SLM設(shè)備的軟件,把重熔掃描路徑的方向進(jìn)行了該變,即重熔掃描時(shí)的方向與第一次掃描時(shí)的方向垂直成90°,這樣就能把熔池搭接處的氧化物等雜質(zhì)進(jìn)行有效的去除,使SLM成形的單層表面質(zhì)量更好。圖5(a)是重熔的方向與第一次掃描的方向一致的表面形貌,圖5(b)是重熔的方向與第一次掃描的方向垂直成90°的表面形貌。對(duì)比圖5(a)、(b)知,重熔方向成90°的單層掃描表面質(zhì)量比重熔方向一致的更好,其表面更加整潔,氧化物等雜質(zhì)也比較少。因此,合適的掃描間距(如0.06mm)及恰當(dāng)?shù)闹厝鄯绞绞谦@得SLM成形高質(zhì)量的AlSi10Mg單層關(guān)鍵。2.3slm成形alsi10mm的致密度研究了單道及多道SLM成形AlSi10Mg后,獲得了比較好的一批工藝參數(shù)及手段,可嘗試進(jìn)行塊體AlSi10Mg的SLM成形。本實(shí)驗(yàn)中,塊體成形選取的加工參數(shù)如下:掃描速度700~1000mm/s,激光功率140~190W,掃描間距0.05~0.07mm,鋪粉層厚度0.02mm,重熔方向與前次掃描成90°,成形塊體件如圖6所示,SLM成形的AlSi10Mg尺寸為Φ10mm×12mm圓柱件,再使用線切割把成形件從金屬基板切下來。根據(jù)阿基米德原理,使用排水法測(cè)出試樣1-10的致密度,測(cè)量結(jié)果如表3所示。相對(duì)密度為測(cè)試密度與真實(shí)密度的比值。根據(jù)表3知,第一,在其他參數(shù)一定時(shí),致密度隨功率的增大而略微上升,因?yàn)榧す夤β试黾訉?dǎo)致單位體積內(nèi)熔化量增加,并且降低熔池的表面張力及粘度,增大了熔池的寬度和深度,提高焊接的搭接率使組織更加致密,而且熔池存在時(shí)間長氣孔有足夠的時(shí)間逸出,增大了致密度;第二,而在其他條件不變時(shí),掃描速度增加,致密度變化較小,這是因?yàn)樗俣仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化導(dǎo)致的激光的能量吸收變化比較小而引起的;第三,而掃描間距的變化則會(huì)引起致密度比較大的變化。從表3還可知,SLM成形AlSi10Mg的圓柱件致密度最高只有95%,圖7是其橫截面的形貌,經(jīng)檢測(cè)圖中黑點(diǎn)是小孔。若想SLM零件能夠使用,其致密度要≥99%。總結(jié)一下影響致密度的因素主要有:第一,鋁合金粉末密度比較小,激光掃描時(shí)容易對(duì)粉末產(chǎn)生沖擊,使粉末四處飛濺,造成熔池質(zhì)量不高;第二,鋁合金熱導(dǎo)率高,溫度擴(kuò)散快,熔池未等及時(shí)流動(dòng)就已凝固;第三,SLM成形AlSi10Mg合金依然有氧化鋁等雜質(zhì)存在,造成熔池之間,層與層之間不能完全熔合,產(chǎn)生空隙。還有其他原因需要進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并逐一解決。3slm成形alsi10gm件的工藝參數(shù)優(yōu)化(1)SLM成形AlSi10Mg時(shí),激光掃描每層時(shí)必須進(jìn)行重熔,并且方向與第一次掃描方向成90°。(2)激光功率和掃描間距對(duì)SLM成形AlS