三維打印成型鋁硅合金制件的性能及表面處理

王喆，牛晨旭，劉娟，魏敏和，程軍梅，黃璐洋，李宇杰

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209；2. 北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854）

鋁硅系鑄造鋁合金，如鑄鋁104，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、易成型等優(yōu)點(diǎn)，因此可以成型形狀復(fù)雜的鑄件，可以作為氣缸體蓋、水冷與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱等結(jié)構(gòu)件的理想材料，而且也廣泛用于制作導(dǎo)彈、衛(wèi)星與航天飛行器等形狀復(fù)雜的構(gòu)件[1]。鑄造鋁合金成型時(shí)需要設(shè)計(jì)并制造復(fù)雜的模具，并且需要經(jīng)過(guò)多道工序[2]，成型周期較長(zhǎng)。另外，不同工藝條件下獲得的鑄造鋁合金件性能差異較大，限制了其在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展[3]。

三維打印技術(shù)是一種基于分層離散、材料堆積和數(shù)控成型的新型成型技術(shù)，是目前工業(yè)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一[4—7]。金屬的三維打印技術(shù)具有快速一體化成型的優(yōu)點(diǎn)，可以制作尺寸精度高、表面質(zhì)量好、力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件[8]。在鋁硅合金的應(yīng)用和生產(chǎn)領(lǐng)域，三維打印技術(shù)已成為替代傳統(tǒng)鑄造成型方法的一種新工藝。

鋁硅合金成型后，通常需要對(duì)其進(jìn)行表面導(dǎo)電氧化處理。通過(guò)表面處理，可以增加合金抵抗腐蝕的能力并提高涂層在合金表面的附著能力[9]。表面導(dǎo)電氧化處理是鋁合金常用的表面處理方式之一。表面處理轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)量一方面與處理工藝有關(guān)，另一方面與鋁合金制件本身的成型方式以及表面質(zhì)量密切相關(guān)[10]，因此，有必要研究三維打印成型鋁硅合金的表面質(zhì)量，并考察三維打印方法對(duì)制件表面導(dǎo)電氧化膜層質(zhì)量的影響，為鋁硅合金成型后的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

文中首先采用鑄鋁104粉末進(jìn)行三維打印，制作出鋁硅合金制件，測(cè)試了打印成型后制件的力學(xué)性能，并與傳統(tǒng)的鑄鋁104鑄態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比分析；然后分別對(duì)打印成型的鋁硅合金平面試樣與弧面試樣進(jìn)行表面導(dǎo)電氧化處理，測(cè)試處理前后打印制件的表面質(zhì)量，并分析了轉(zhuǎn)化膜的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于三維打印鋁硅合金制件后續(xù)應(yīng)用的影響。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用的三維打印機(jī)為EOSINT M280金屬粉末燒結(jié)系統(tǒng)（德國(guó)EOS有限公司），采用激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)技術(shù)，以粒徑為15～45 μm的AlSi10Mg粉末（鑄鋁104，西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司）為原料，打印制備鋁硅合金制件。采用廈門群隆儀器有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)電子密度計(jì)DX-300測(cè)量鋁硅合金制件的密度。打印制件的拉伸強(qiáng)度由美特斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為CMT5105的拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) GB/T 228.1—2002進(jìn)行。由山東中科普銳檢測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IPRESR200A表面粗糙度儀，測(cè)試鋁硅合金打印制件的表面粗糙度。鋁硅合金成型之后進(jìn)行了表面導(dǎo)電氧化處理，所用溶液為含有鉻酐的酸性溶液，參考的標(biāo)準(zhǔn)為QJ 450B—2005與QJ/Z 120—83。采用德國(guó)蔡司VEGA II SBH掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察鋁合金的表面微觀形貌，成分由SEM自帶能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)測(cè)試。

2 結(jié)果以及討論

2.1 宏觀性能

實(shí)驗(yàn)中，AlSi10Mg粉末、打印鋁硅合金制件以及鑄鋁 104的成分見(jiàn)表 1。打印所使用的 AlSi10Mg合金粉末成分與鑄鋁104的成分非常接近。鋁硅合金中的 Si元素可以增加熔融合金的流動(dòng)性，有利于成型形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。在采用SLM技術(shù)進(jìn)行三維打印的過(guò)程中，鋁合金粉末熔融變成液態(tài)。由于流動(dòng)性好，更加容易形成致密的組織，從而獲得優(yōu)異的性能。成分測(cè)試結(jié)果表明，成型后的制件中材料存在少量氧化。

表1 AlSi10Mg合金粉末、鋁合金制件與鑄鋁104的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Component of AlSi10Mg alloy powder, Al alloy structure, and cast Al 104 (mass fraction) %

三維打印鋁合金制件的密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。純鋁的密度為2.702 g/cm3。鑄鋁104由于加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.0%～10.5%的硅元素，其密度略小于純鋁的密度。尺寸為40 mm×150 mm×7.32 mm（對(duì)表面為弧面的樣品，厚度為平均值）的典型三維打印 AlSi10Mg制件密度測(cè)量結(jié)果為2.58 g/cm3，比相近成分的鑄鋁104塊體材料密度稍低。為分析鋁合金制件密度的均勻性，在上述典型制件上選取3個(gè)不同位置，分別切割獲得尺寸為40 mm×25 mm×(6～12)mm的樣品，測(cè)量各個(gè)樣品的密度，結(jié)果見(jiàn)表2。整體而言，三維打印的AlSi10Mg制件的密度比體材料稍低，說(shuō)明其組織致密度比體材料稍差，且打印制件不同位置的密度也有所不同，標(biāo)準(zhǔn)差為0.08 g/cm3。

三維打印AlSi10Mg制件的抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表3，表中同時(shí)給出了GB/T 1173—1995中規(guī)定的鑄鋁104在T6狀態(tài)下的性能要求，并且給出了Al9Si0.45Mg鑄造鋁合金典型的拉伸性能[12]。結(jié)果表明，三維打印鋁合金的抗拉強(qiáng)度可以滿足國(guó)標(biāo)的要求，其強(qiáng)度比經(jīng)過(guò)熱處理之后的鑄造鋁合金高。另外，將結(jié)果與德國(guó)EOS公司采用SLM技術(shù)制備的AlSi10Mg合金的典型拉伸性能比較[13]，所得抗拉強(qiáng)度相差不大。三維打印成型鋁硅合金制件的抗拉強(qiáng)度明顯大于鑄造成型的相應(yīng)鋁硅合金，其主要原因是粉末狀的合金料在熔化成型時(shí)使鋁合金晶粒細(xì)化，且晶粒的細(xì)小程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鑄態(tài)組織與退火組織。

表2 三維打印鋁合金、鑄鋁104與純鋁的密度Tab.2 Density of 3D printed Al alloy,cast Al 104 and pure Al

表3 三維打印鋁合金和鑄造鋁合金的抗拉強(qiáng)度Tab.3 Tensile strength of 3D printed Al alloy and cast Al alloy

圖1 表面導(dǎo)電氧化處理前后的鋁合金樣品Fig.1 Printed AlSi10Mg samples before and after surface conductive oxidation treatment

2.2 表面質(zhì)量與微觀形貌

三維打印鋁合金制件的表面形狀與表面質(zhì)量會(huì)對(duì)表面導(dǎo)電氧化處理效果產(chǎn)生影響[13]。為研究不同表面曲率條件下，制件表面導(dǎo)電氧化處理的效果差異，分別打印制備了具有弧面和平面表面的樣品，測(cè)試表面處理前后打印制件的表面粗糙度。測(cè)試使用的AlSi10Mg打印樣品見(jiàn)圖1。圖1a與1b是表面處理之前的AlSi10Mg打印樣品，表面形狀分別為平面和弧面，樣品表面呈均勻的銀白色。圖1c與1d是表面處理之后的AlSi10Mg打印樣品，其表面形狀分別為平面與弧面，樣品表面呈均勻的金黃色。樣品經(jīng)導(dǎo)電氧化處理后，表面未出現(xiàn)水跡、觸痕及顏色不均勻的區(qū)域等宏觀缺陷。圖1d中的插圖給出相應(yīng)樣品上表面（弧面）的截面形貌。

AlSi10Mg打印制件表面粗糙度的測(cè)試位置見(jiàn)圖2。測(cè)試時(shí)，取樣長(zhǎng)度l為 2.5 mm，評(píng)定長(zhǎng)度 5l為12.5 mm，即評(píng)定長(zhǎng)度是取樣長(zhǎng)度的5倍。表面粗糙度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 4。經(jīng)計(jì)算，AlSi10Mg打印制件表面處理前，平面樣品的表面粗糙度Ra平均值為1.6 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.3 μm；弧面樣品的表面粗糙度Ra平均值為 4.2 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.1 μm。AlSi10Mg打印制件表面處理后平面樣品的表面粗糙度Ra平均值為1.1 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6 μm；弧面樣品的表面粗糙度Ra平均值為2.7 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 μm。

圖2 表面粗糙度測(cè)量位置及測(cè)試方向Fig.2 Position and test direction of surface roughness measurements

表4 表面粗糙度的測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of surface roughness measurements

圖3 三維打印鋁合金樣品經(jīng)導(dǎo)電氧化處理后的表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of 3D printed AlSi10Mg samples after the surface conductive oxidation treatment

三維打印AlSi10Mg制件經(jīng)表面化學(xué)氧化處理后的表面微觀形貌見(jiàn)圖3。平面樣品表面的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜均勻分布有大量裂紋，裂紋寬度為800 nm～1 μm。裂紋將鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜割裂，形成尺寸均勻的島狀結(jié)構(gòu)，島狀結(jié)構(gòu)的尺寸在1～2 μm之間。表面化學(xué)氧化處理的目的之一是提高鋁合金抵抗腐蝕的能力，裂紋破壞鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜的完整性，減弱了制件的抗腐蝕能力。當(dāng)利用表面轉(zhuǎn)化膜提高涂層附著力時(shí)，均勻分布的微細(xì)裂紋形成的微納結(jié)構(gòu)可能有利于形成機(jī)械互鎖。若對(duì)鋁合金制件進(jìn)行涂裝，則可以在一定程度上增加防腐涂層在鋁合金表面的附著力。采用相同工藝，對(duì)鑄態(tài)鋁合金采用表面化學(xué)氧化處理時(shí)，轉(zhuǎn)化膜均勻、致密且完整[14]。三維打印鋁合金樣品表面化學(xué)氧化處理后出現(xiàn)裂紋的機(jī)制及其對(duì)制件表面涂層附著力的影響，將在后續(xù)研究工作中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

弧面樣品表面的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜也存在類似結(jié)構(gòu)，但是裂紋形成的島狀結(jié)構(gòu)大小不一，尺寸在2～10 μm之間。這些島狀結(jié)構(gòu)在整個(gè)表面的分布也不均勻，局部區(qū)域甚至沒(méi)有觀察到裂紋的出現(xiàn)，見(jiàn)圖 3c。整體而言，弧面樣品表面出現(xiàn)的裂紋數(shù)量和總面積比平面樣品少，但分布極不均勻。平面樣品與弧面樣品之間的這種表面結(jié)構(gòu)差異是表面形狀（尤其是表面曲率的變化）、表面粗糙度以及打印 AlSi10Mg制件本身的力學(xué)性能共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

1)采用SLM三維打印成型的AlSi10Mg制件與傳統(tǒng)鑄造方法成型的鋁硅合金制件相比，密度略小，但拉伸強(qiáng)度大，達(dá)到440 MPa，具有較高的機(jī)械性能。

2)采用SLM三維打印成型的AlSi10Mg制件經(jīng)過(guò)表面氧化處理后，在轉(zhuǎn)化膜層中出現(xiàn)裂紋，與鑄造鋁合金經(jīng)過(guò)同樣處理后得到的表面形貌不同。三維打印成型的AlSi10Mg制件表面轉(zhuǎn)化膜層的微觀形貌與制件本身的表面曲率有關(guān)。制件表面為弧面時(shí)，導(dǎo)電氧化膜呈尺寸及分布都不均勻的島狀結(jié)構(gòu)；而當(dāng)制件表面為平面時(shí)，導(dǎo)電氧化膜呈尺寸為 1～2 μm，且分布均勻的島狀結(jié)構(gòu)。

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