激光選區(qū)熔化制備超薄鋁合金板的可行性及力學性能

劉正武，時 云，王 毅，郝云波，崔宇濤，朱小剛

(1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.上海復雜工程技術(shù)研究中心，上海 200245)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星、雷達等產(chǎn)品不斷追求極限性能，這對其復雜精密結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的要求越來越高。薄壁結(jié)構(gòu)在散熱、零件精密化制造方面應用廣泛，然而采用傳統(tǒng)加工技術(shù)制備薄壁產(chǎn)品時極易產(chǎn)生穿孔、翹曲、鼓包等問題，加工困難，成品率低。激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種激光快速成形技術(shù)，其基于三維數(shù)字模型，利用高能束激光逐層熔化金屬粉末，層層堆疊，實現(xiàn)精密零部件的直接制造[1-2]。SLM技術(shù)具有制備產(chǎn)品尺寸精度高、產(chǎn)品性能優(yōu)良、制造一體化等優(yōu)勢，能夠高效、快速地響應航天裝備設(shè)計變化，靈活適應復雜精密構(gòu)件的生產(chǎn)制造。衛(wèi)星、雷達等產(chǎn)品的散熱器、集熱器等零件普遍具有薄壁翅片、空腔板、彎曲流道結(jié)構(gòu)，甚至具有封閉腔結(jié)構(gòu)，非常適合采用SLM技術(shù)進行制備。

目前，SLM技術(shù)的研究主要涉及工藝參數(shù)優(yōu)化、裝備研制、軟件開發(fā)、力學性能與組織控制等方面[3-6]，有關(guān)復雜薄壁類結(jié)構(gòu)的成形可行性及性能研究未見報道。為此，作者以航空航天廣泛應用的AlSi10Mg鋁合金為研究對象，驗證了SLM技術(shù)制備薄壁結(jié)構(gòu)的可行性，然后測試了成形薄壁件的力學性能，分析了成形原理，并試制了薄壁封閉腔結(jié)構(gòu)散熱器產(chǎn)品，以期為具有薄壁內(nèi)腔零件的SLM成形提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，為航天用難加工產(chǎn)品的設(shè)計和研制提供創(chuàng)新思路。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原材料為AlSi10Mg鋁合金粉末，形貌及主要化學成分如圖1及表1所示。可見粉末形貌為近圓形或橢圓形，粒徑在15～53 μm。

圖1 AlSi10Mg鋁合金粉末形貌Fig.1 Morphology of AlSi10Mg aluminum alloy powder

表1 AlSi10Mg鋁合金粉末的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of AlSi10Mg aluminum alloy powder (mass) %

使用雷尼紹AM250激光選區(qū)熔化設(shè)備制備AlSi10Mg鋁合金板。基于團隊前期研究結(jié)果[7-8]選取工藝參數(shù)：激光功率為400 W，光斑直徑為135 μm，光點間距為140 μm，預熱溫度為80 ℃，鋪粉層厚度為25 μm。

首先采用上述工藝參數(shù)進行不同厚度實心薄壁板成形可行性試驗，三維模型尺寸為15 mm×(0.1～0.8) mm×15 mm(長×寬×高)，共計8片試樣。然后采用SLM技術(shù)成形中空薄壁板，空腔模型內(nèi)腔間隙為0.5 mm，兩側(cè)壁厚在0.1～0.7 mm，長度和高度均為15 mm，共計7片試樣。最后制備7組薄板室溫拉伸試樣，試樣形狀和尺寸如圖2所示，設(shè)計厚度為0.1～0.7 mm，每個厚度下分別成形6根平行試樣。通過線切割機將拉伸試樣取下，對其表面打磨以去除黏渣等雜質(zhì)，每組取3根試樣進行T6熱處理，即在(530±5) ℃下保溫2 h水冷，然后在(170±5) ℃下保溫8 h空冷。按照GB/T 228.1—2010，使用Instron萬能試驗機對成形態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1，并與常規(guī)厚度(2 mm)試樣進行對比。激光選區(qū)熔化縱向力學性能一般最低，故測試縱向力學性能。

圖2 薄壁拉伸試樣的形狀及尺寸Fig.2 Shape and size of thin-walled tensile specimen

對薄板試樣截面進行磨拋處理，用Keller溶液(HF，HCl，HNO3，H2O的體積比為1∶1.5∶2.5∶95)腐蝕約20 s，利用NOVA navoSEM 450型掃描電子顯微鏡觀察顯微組織。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 薄板SLM成形可行性

由圖3(a)可以看出，0.2～0.8 mm厚的AlSi10Mg鋁合金薄板均可成形，但0.5，0.6 mm厚薄板兩側(cè)輪廓發(fā)生剝離出現(xiàn)輕微空心現(xiàn)象。此外，0.1 mm薄板的實測厚度約為0.2 mm，說明試驗所用激光選區(qū)熔化技術(shù)可成形薄板的壁厚最小為0.2 mm。間隙為0.5 mm的中空薄板亦均可成形，但0.5，0.6 mm厚中空薄板兩側(cè)板壁同樣出現(xiàn)空心現(xiàn)象。

圖3 不同設(shè)計壁厚下AlSi10Mg鋁合金薄板的SLM成形宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of AlSi10Mg aluminum alloy thin sheets with different designed thickness formed by SLM: (a) solid thin sheets and (b) hollow thin sheets with 0.5 mm gap

2.2 薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形原理

如圖4所示，薄板的SLM成形包括輪廓掃描和實體掃描兩個步驟，即激光束實際掃描的路徑包括輪廓及內(nèi)部填充實體兩部分。輪廓可以多次掃描，此處只分析輪廓掃描一次的情況。圖4中d0，h0，h1均可以通過工藝參數(shù)進行設(shè)置，但受到光斑尺寸限制；理論上光斑尺寸越小，上述參數(shù)取值越小。薄板兩側(cè)輪廓通常都需要進行掃描，但實體部分視d2大小決定是否掃描，若d2≤2h1，不掃描實體；若d2>2h1，掃描實體。SLM成形薄板的理論壁厚B0為

(1)

d0為實體設(shè)計厚度；d1為額外光點補償距離；d2為兩側(cè)輪廓間距；h0為理論偏移掃描距離；h1為實際輪廓掃描與實體掃描距離圖4 薄板SLM成形原理示意Fig.4 Schematic of SLM forming principle of thin sheet

試驗用激光光斑直徑為0.135 mm，單道掃描寬度約為0.2 mm，d1設(shè)置為0.105 mm，h1設(shè)置為0.23 mm。由圖5結(jié)合成形原理分析可知：當B0不大于0.67 mm時，薄板成形過程中激光束只掃描兩側(cè)輪廓，但當B0在0.10.4 mm時,輪廓兩道掃描間距可由光點補償覆蓋，兩道輪廓可以重疊，薄板為實心；當B0在0.50.6時，光點補償不能覆蓋輪廓兩道掃描間距，輪廓分離，薄板出現(xiàn)間隙；B0為0.7，0.8 mm時，激光束開始掃描實體，將薄板填充為實心。由表2可以看出，成形試樣的實測壁厚B1與理論壁厚B0相符合。

表2 實心薄壁板的成形尺寸Table 2 Forming size of solid thin plates

圖5 厚度0.1～0.7 mm薄板的SLM成形過程Fig.5 SLM forming process of thin plate with thickness of 0.1～0.7 mm

綜上可知，決定SLM薄板成形的主要參數(shù)為d1和h1，兩者均由光斑直徑?jīng)Q定。理論上，在薄板壁厚不小于粉末尺寸的情況下，SLM薄板成形極限尺寸由d1決定，光斑直徑越小，d1越小。通過使用小光斑激光器可以提高SLM技術(shù)的精密成形能力；通過變光斑技術(shù)，在輪廓區(qū)域使用小光斑可以提高精度，在實體區(qū)域使用大光斑高功率可以提高成形效率。此外，理論上通過設(shè)置使d1=h1，可以避免空心薄板出現(xiàn)的情況。中空薄板兩側(cè)壁板成形原理與上述單層薄板的一致，不再贅述。

2.3 顯微組織

選取設(shè)計壁厚為0.1 mm(實際壁厚0.2 mm)的試樣進行顯微組織分析。由圖6可知：SLM成形薄板試樣組織致密，不存在孔洞在層間分布的現(xiàn)象；共晶硅相呈短纖維狀沿晶界分布，且其表面光滑，無明顯棱角。根據(jù)Al-Si相圖，凝固過程中首先生成α-Al初生相，隨著溫度的降低，生成共晶Al-Si相。共晶相一般沿著晶界分布[9]，上述顯微組織形貌與之相吻合。

圖6 SLM成形設(shè)計壁厚0.1 mm AlSi10Mg鋁合金薄板截面顯微組織Fig.6 Microstructures of the section of AlSi10Mg aluminum allay thin sheet formed by SLM with designed thickness of 0.1 mm: (a) at low magnification; (b) at high magnification and (c) eutectic Si phase amplification

2.4 薄板室溫拉伸性能

由圖7可知：0.1～0.7 mm設(shè)計厚度的SLM成形試樣及其經(jīng)T6熱處理后的抗拉強度均超過200 MPa，雖然總體上略低于常規(guī)厚度試樣的，但仍具有可觀的強度，說明薄壁結(jié)構(gòu)成形件力學性能良好，可滿足眾多非承力功能器件的使用要求；0.1～0.6 mm厚SLM成形試樣的強度和伸長率相近，較0.7 mm的低，表明SLM過程中掃描實體內(nèi)部可以在一定程度上提高薄板的強度；T6熱處理后薄板試樣強度略有降低，塑性得到提高，符合一般的熱處理影響規(guī)律，T6熱處理對薄板零件同樣適用。

圖7 不同設(shè)計厚度SLM成形態(tài)及T6熱處理態(tài)AlSi10Mg鋁合金薄板的室溫拉伸性能Fig.7 Room temperature tensile properties of SLM formed (a) and T6 heat-treated (b) AlSi10Mg alumium alloy thin sheets with different designed thickness

2.5 薄壁封閉腔結(jié)構(gòu)散熱器產(chǎn)品試制

基于上述成形性及力學性能研究，作者對翅片均溫板散熱器零件進行了一體化打印測試，其三維模型如圖8所示，包絡尺寸為95 mm×95 mm×40 mm，翅片厚度為1 mm，翅片內(nèi)空腔間隙為0.5 mm，底板內(nèi)腔高度為1.2 mm，用于存儲液相冷卻液，翅片底板預留直徑3 mm的清粉口，最后通過焊接進行封堵。散熱器零件SLM成形實物如圖9所示，表面經(jīng)噴砂處理，可見零件成形效果良好，內(nèi)部粉末可通過清粉口清除，表明激光選區(qū)熔化技術(shù)可應用于薄壁類及中空內(nèi)腔薄板類產(chǎn)品的研制。

圖8 中空內(nèi)腔薄壁翅片均溫板散熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure schematic of thin-walled finned temperature plate radiator with hollow cavity: (a) part model; (b) part cross section and (c) amplification of cross section

圖9 中空內(nèi)腔薄壁翅片均溫板散熱器SLM成形實物Fig.9 SLM formed thin-walled finned temperature plate radiator with hollow cavity

3 結(jié) 論

(1) 試驗采用的激光選區(qū)熔化工藝可成形壁厚0.2 mm以上的AlSi10Mg鋁合金薄板以及壁厚0.2 mm以上、內(nèi)腔間隙為0.5 mm以上的中空薄壁板；板厚小于0.7 mm時由兩側(cè)輪廓掃描形成薄板，無實體掃描填充，板厚大于0.7 mm時有實體填充；厚度0.5，0.6 mm的薄板出現(xiàn)空心現(xiàn)象，通過減小光斑尺寸及調(diào)整工藝參數(shù)可進一步提高SLM技術(shù)成形精度，避免出現(xiàn)空心薄板；采用試驗工藝參數(shù)可成功打印出薄壁、封閉腔散熱器產(chǎn)品。

(2) SLM成形AlSi10Mg鋁合金薄板組織致密，表面光滑的共晶硅相呈短纖維狀沿晶界分布；SLM成形拉伸試樣及其經(jīng)T6熱處理后的抗拉強度均高于200 MPa；T6熱處理后試樣強度降低、塑性提高，T6熱處理適用于該薄板零件。