ZL205A金屬粉末選區(qū)激光熔化的成形工藝優(yōu)化研究

饒江華 周子群 梁小文

東華理工大學(xué)長江學(xué)院 江西 撫州 344000

0 引言

選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting，SL M)技術(shù)是激光增材制造技術(shù)的一種，隨著科學(xué)進(jìn)步與生產(chǎn)需求的增長，在航空航天、醫(yī)療等高新領(lǐng)域上得到推廣，是最具發(fā)展?jié)摿Φ脑霾闹圃旒夹g(shù)之一。

近幾年來，隨著3D打印行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的高校也逐步加入了選區(qū)激光熔化(SL M)設(shè)備及材料研發(fā)的行業(yè)。獲得組織致密、性能優(yōu)異的零部件是SLM成形的重要目標(biāo)。因此，針對ZL205A鋁合金粉末，以致密度為優(yōu)化目標(biāo)，基于選區(qū)激光熔化技術(shù)展開成形工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提出合理的成形工藝方案。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)所用的材料為ZL205 A鋁合金粉末，合金牌號為ZAl Cu5 MnCd VA，簡稱ZL205A，其中Cu含有4.6～5.3%，Mn含有0.3～0.5%，其余大部分為Al元素。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)采用國內(nèi)中瑞科技公司研發(fā)的新一代SL M－300成型設(shè)備，采用IPG公司制造的YLR－500－WC單模摻鐿光纖激光器，波長為1070n m。激光最大功率為500 W，最大掃描速度為5000 mm/s，可成形鋁合金、鈦合金、高溫合金等粉末材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光功率對ZL205 A合金粉末成形件致密度的影響 研究了激光功率(300 W、350 W、400 W、450 W)對ZL205 A合金粉末的選區(qū)激光熔化成形試樣的致密度影響。在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增大，ZL205 A合金粉末SL M成形試樣的致密度增大。而在激光功率一定的條件下，樣品的致密度隨著掃描速率的變大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在激光功率為450 W時(shí)，SL M成形試樣的致密度在不同的掃描速率下均為最高，故將ZL205 A合金粉末SL M成形的激光功率定為450 W。

2.2 掃描速度對ZL205A合金粉末成形件致密度的影響 如圖1所示不同掃描速度下SL M成形ZL205 A合金試樣致密度曲線。從圖中可以得出，隨著掃描速度的增大，SL M成形ZL205 A合金試樣的致密度出現(xiàn)先變大后減小的趨勢。當(dāng)掃描速度小于800 mm/s時(shí)，試樣的致密度要低于94%，造成這樣的原因是成形過程中粉末的流動(dòng)性差，導(dǎo)致鋪粉效果不好，出現(xiàn)了較多的球化缺陷。在激光掃描速度較慢時(shí)，鋁合金粉末吸收的能量較多，熔化的液態(tài)金屬也較多，在激光沖擊作用和成形室內(nèi)保護(hù)氣體氣流的循壞作用下發(fā)生了液態(tài)金屬及粉末的飛濺。當(dāng)有些小的金屬球回落到激光掃描輪廓區(qū)時(shí)已經(jīng)凝固，部分顆粒熔化粘結(jié)形成團(tuán)聚，導(dǎo)致了球化現(xiàn)象。形成的球化凸起導(dǎo)致新一層的鋪粉不連續(xù)、不平整效果。

2.3 不同掃描間距下ZL205 A合金粉末SL M成形試樣致密度的分析 在其他工藝參數(shù)不變，而掃描速度為變量的情況下，研究不同掃描間距對SL M成形ZL205 A合金試樣的致密度影響。

結(jié)果如圖2所示，在掃描速率小于800 mm/s的條件下，試樣的致密度維持在93%左右，試樣的致密度不隨著掃描間距的變化而變化。在掃描間距分別為0.05 mm、0.07 mm時(shí)，樣品的致密度隨著掃描速度的變化而變化不大的，而在掃描速度為1200 mm/s～2000 mm/s條件下，致密度隨著掃描間距的增大呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢。由于掃描速度較低的時(shí)候，熔池存在時(shí)間較長，導(dǎo)致單道熔池線條更寬。掃描間距為0.11 mm的ZL205 A成形試樣致密度隨掃描速度的增加卻急劇下降。這是因?yàn)閽呙栝g距太大，很有可能出現(xiàn)相鄰兩激光線之間銜接不夠好。

圖1 不同掃描速度下ZL205 A合金粉末SL M成形試樣致密度曲線

圖2 不同掃描速度下掃描間距對ZL205 A合金粉末成形試樣致密度的影響

3 總結(jié)

在其他工藝參數(shù)確定的情況下，試樣致密度隨著激光功率的增加而增大。當(dāng)激光掃描速度為1200～1400mm/s時(shí)，不同的激光功率下試樣的致密度都是最高。掃描速度對成形質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，在一定的掃描速度范圍內(nèi)，試樣致密度是先增后減的規(guī)律，當(dāng)掃描速度大于2000 mm/s時(shí)，SL M試樣的致密度下降。這是因?yàn)閽呙杷俣忍欤赟LM過程中激光與合金粉末的作用時(shí)間太短了，無法將ZL205 A合金粉完全熔化，在熔池中還有未完全熔化的粉末顆粒，產(chǎn)生了很多不均勻的孔洞。在較小的掃描間距范圍內(nèi)，試樣的致密度會(huì)比較好，但是在其他工藝參數(shù)一定的范圍內(nèi)，掃描間距對成形質(zhì)量變化不大。綜合以上分析，最終確定了ZL205 A合金粉末SL M成形過程中較好的工藝參數(shù)為：激光功率450 W，掃描速度1200 mm/s～1400 mm/s，掃描間距0.09 mm。