選區激光熔化AlSi10Mg合金鏡的表面性能

韓瀟，康楠，焦建超，王超

(1.北京空間機電研究所，北京，100094；2.先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京，100094；3.西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，陜西西安，710072)

隨著空間光學遙感技術的迅速發展，高分辨率輕質空間光學相機已成為各國研究熱點。光學反射鏡是決定空間相機的地面分辨率和其他光學特性的關鍵部件，對材料及加工制造工藝的要求極為苛刻[1]。由于鋁合金易于加工制造且成本較低，已成為空間相機結構及光學反射鏡較為常用的材料。對于鋁合金反射鏡，制備工藝和性能是首要考慮的關鍵問題[2-3]。增材制造(additive manufacturing，AM)技術使得復雜結構成形成為可能，利用金屬增材制造技術制備鋁合金鏡坯及其支撐結構，能夠大幅度提升光機結構輕量化程度。同時，光學元件與支撐結構采用同種材料也可以降低光學鏡頭對溫度變化的敏感性[4]。近年來，AlSi10Mg 合金因其具有良好的粉末流動性、優異的氣密性且成形過程不易產生熱裂紋的優點，已經成為一種繼TC4 鈦合金后被廣泛研究與應用的增材制造金屬材料。作為一種高精度金屬增材制造成形方法，選區激光熔化(selective laser melting，SLM)在復雜零件制造方面越來越受到關注[5]。本文利用SLM 技術直接通過鏡坯的CAD 模型成形AlSi10Mg 鋁合金反射鏡鏡坯，并進一步表征其顯微組織結構、力學和表面性能。

1 試驗方法

本研究中使用的金屬粉末為江西寶航有限責任公司(BAM LTD)生產的氣體霧化AlSi10Mg 粉末，粉末組分見表1。圖1所示為粉末形貌的SEM照片，可見粉末球形態較均勻，平均粒徑為30.26 μm(在20～60 μm 范圍內)。所有試樣均利用FS271M 選區激光沉積系統制備，該系統采用Yb光纖激光器，激光功率為500 W，激光光斑直徑為70 μm，成形過程均在Ar氣氛中進行，氧氣質量分數低于0.1%。SLM 工藝參數如下：激光功率為200 W，掃描速度為1 000 mm/s，鋪粉層厚度為30 μm。試樣成形后，從基板移除零件之前，進行300 ℃/2 h 退火處理，消除成形過程中由于快速凝固導致的內應力。

利用光學顯微鏡(OM，型號為Keyence VHZ50L)和場發射掃描電子顯微鏡(SEM，型號為Zeiss Gmini500)觀察成形樣品的顯微組織結構。利用阿基米德排水法測定試樣相對密度。拉伸樣品尺寸參考GB/T 228.1—2010，通過室溫下的拉伸試驗(Instron-3382 萬能力學試驗機)測試熱處理前后的樣品力學性能，拉伸速率為1 mm/min。通過顯微硬度計測量樣品的維氏硬度，正四棱錐金剛石壓頭的面夾角為136°，在壓頭施加10 N 壓力并在室溫下保持10 s，對每個樣品測量5個不同位置的維氏硬度，取平均值。

表1 AlSi10Mg 粉末組分(質量分數)Table 1 Chemical composition of AlSi10Mg powder%

圖1 AlSi10Mg粉末SEM 照片Fig.1 SEM micrograph of AlSi10Mg powder

鋁合金反射鏡原型基于RC光學系統設計。圖2所示為反射鏡CAD模型，直徑為58 mm，光學表面為非球面，鏡體背面為輕質結構。在SLM 成形過程中，CAD模型轉化成STL格式。沿圖2中x方向成形鏡坯，激光掃描方向則平行于y-z平面。

圖2 反射鏡三維模型Fig.2 3D models of mirror

利用單點金剛石車削(SPDT)對反射鏡光學表面進行超精密加工，工藝參數如下：刀具轉速為1 200 r/min，切削深度為2 μm，進給量為2 μm/r。采用Zygo 白光干涉儀和LuphoScan 非接觸式輪廓儀對光學加工后鏡面粗糙度和面形進行檢測。

2 結果與討論

2.1 顯微組織與相對密度

圖3所示為經SLM 成形試樣的橫向和縱向顯微組織。從圖3可以看出：反射鏡光學表面具有高致密度和低孔隙率；在SLM 加工過程中，由于冷卻速率高而形成了細小的等軸晶粒微觀結構[6]；從橫向組織照片可見熔池形貌，從縱向組織照片可見典型的“魚鱗”形態[7]。觀察橫向組織可知，熔池寬度超過激光光斑直徑(約70 μm)。此外，從沿著成形方向的“魚鱗”狀組織形態最大厚度可知熔池深度為50～150 μm，與30 μm 的鋪粉層厚度并不完全一致，表明在SLM 成形過程中存在重新熔融的新層[8]。

圖3 SLM AlSi10Mg的橫向與縱向典型組織形貌光學顯微照片Fig.3 OM micrographs of typical etched microstructure,cross section and longitudinal section of SLM AlSi10Mg

通過排水法測定成形樣品的相對密度，設備為賽多利斯BS2245 電子天平，其稱量精度可達0.1 mg。選擇3 個長×寬×高均為10 mm×10 mm×10 mm的隨爐樣品，每個樣品測量3次，并取平均值，所得相對密度分別為99.74%，99.43% 和99.56%，平均值達99.58%。

2.2 力學性能

SLM 成形的金屬零件通常需要經退火處理，以消除殘余應力，但可能導致變形和微裂紋[9]。圖4所示為不同熱處理工藝下經SLM 成形的AlSi10Mg 試樣拉伸性能。沉積態樣品的抗拉強度和屈服強度約為400 MPa和270 MPa，優于鑄造成形樣品的拉伸性能。在經過300 ℃退火2 h 后，試樣的抗拉強度降低為287.0 MPa，屈服強度降低為176.5 MPa，與沉積態相比分別降低28%和33%。這主要是由于在300 ℃時，Al 基體中過飽和的Si被析出，導致拉伸強度降低[10]。同時，其伸長率升高到約10%。隨著退火溫度進一步升高到500 ℃，在短時間內(約1 h)，樣品的抗拉強度和屈服強度分別降低33%和45%，分別為250 MPa和100 MPa。反之，隨著退火溫度升高，伸長率進一步增大。這主要是由于退火溫度進一步升高，析出的Si 相顯著長大。在沉積態或于300 ℃退火處理的樣品中，Si 相可以起到顯著的Orowan 強化作用，但當退火溫度升高、Si 相顯著長大時，該強化機制消失，導致拉伸強度顯著降低[11]。

圖4 SLM AlSi10Mg不同退火條件力學性能Fig.4 Tensile properties of SLM AlSi10Mg with different heat treatments

硬度也是表征材料抵抗塑性變形能力的重要指標。LI 等[12]研究了熱處理對SLM 成形的AlSi10Mg 試樣硬度的影響，發現隨著熱處理溫度和持續時間增加，會出現持續軟化的現象。圖5所示為經鏡坯退火處理(300 ℃/2 h)后表面四棱錐的壓痕光學顯微照片，經測試，壓痕的對角線長度d1≈d2=145 μm，退火前后的維氏硬度(HV)分別為110±10和99±5。

圖5 表面壓痕光學顯微照片Fig.5 Optical micrographs of indentation on tested surfaces

2.3 鋁鏡加工與表面特性測量

直徑為58 mm 的鏡坯經SLM 成形后，采用噴砂處理清理工件表面上的殘留粉末，SLM 成形鏡坯尺寸誤差為±0.1 mm。利用超精密金剛石加工方法直接對反射鏡光學表面進行車削，表面總切削量約為0.1 mm。圖6所示為金剛石單點車削后的鋁鏡實物照片。

圖6 SLM鋁合金表面光學加工后實物照片Fig.6 Aluminum mirror produced by SLM after diamond point machining

SLM 鋁合金光學加工表面SEM 照片、光學加工表面形態和光學加工表面輪廓如圖7所示。從圖7(a)可見步長為2 μm的切削痕跡。測得光學加工表面形態(見圖7(b))的表面粗糙度為8～13 nm，非接觸式輪廓儀測量的表面輪廓(見圖7(c))的面形精度約為0.28λ(λ為波長，λ=632 nm)。然而，這種加工的表面粗糙度尚不足以滿足高質量的光學成像系統要求，通常還需對鋁合金反射鏡表面鍍制鎳(Ni)金屬膜層，再進行金剛石精密加工，以提高表面粗糙度[13]。有研究表明，熱等靜壓(HIP)工藝對增材制造鋁合金的致密化非常有效，能夠去除鏡坯體內的所有孔隙，提高表面精密拋光質量[14]。

圖7 SLM成形的鋁合金光學加工表面SEM照片、光學加工表面形態和光學加工表面輪廓Fig.7 SEM images of the turning surface，turning surface morphology detected by interferometer and surface profile of the mirror of SLM aluminum alloy

3 結論

1)選區激光熔化技術(SLM)可以應用于制造精密光學元件，有助于復雜輕量化結構的金屬反射鏡鏡坯研制。

2)采用SLM 制造的鋁合金非球面鏡具有優良的微觀結構和優異的力學性能。反射鏡表面經超精密金剛石加工后，其表面粗糙度為8～13 nm，面形精度為0.28λ(λ=632 nm)，能夠滿足光學成像應用要求。