能量密度對AlSi10Mg 合金激光沉積成形性能的影響*

劉艷艷 ， 杜長星

（南京理工大學紫金學院智能制造學院，江蘇 南京 210023）

基于“離散—堆積”的增材制造思想[1]，激光金屬沉積（LMD, Laser Metal Deposition）工藝利用同步送給的金屬粉末材料，可直接成形制造大尺寸金屬結構件，具有成形效率高、成形尺寸大等優勢，在航空航天、汽車模具等領域大尺寸結構件的快速成形制造方面具有廣泛應用前景[2-5]。鐵基合金（如316L、17-4PH）[6-7]、鎳基合金（如Ni625、Ni718）[8-9]、鈦合金（如TC4、TA15）[10-11]等材料的激光金屬沉積工藝較為成熟，成形件的機械性能已基本能夠接近甚至達到材料鍛件水平，但鋁合金材料因具有高的激光反射率、高的導熱性以及等離子體的屏蔽作用，在激光沉積過程中易形成氣孔、夾渣、氧化膜等缺陷，嚴重影響著增材成形件的形狀精度和力學性能。本研究以AlSi10Mg 鋁合金為材料，以線能量密度和體能量密度作為綜合評定參數，進行鋁合金材料的激光金屬沉積工藝試驗研究，分析并研究其對鋁合金材料增材成形件性能的影響，為大尺寸鋁合金結構件激光增材制造技術的應用提供理論和試驗依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗中所用材料為氣霧化AlSi10Mg球形粉末，粒徑50 μm～150 μm，AlSi10Mg粉末顆粒形貌如圖1所示，AlSi10Mg材料化學成分如表1所示。基體材料為鑄態AlSi10Mg板材，尺寸200 mm×120 mm×20 mm。試驗前采用打磨方式去除基板表面氧化膜，并用丙酮進行清洗。

表1 AlSi10Mg材料化學成分

圖1 AlSi10Mg粉末顆粒形貌

1.2 試驗設備

工藝試驗在激光熔融沉積增材成形設備上進行，系統主要包括Laserline 6000 型高功率光纖激光器、KUKA 機械手、同軸熔覆頭、負壓式送粉器、自制惰性氣體保護成形艙等。試驗設備構成示意圖如圖2所示。

圖2 試驗設備構成示意圖

1.3 試驗方法

考慮到影響鋁合金沉積成形的工藝參數眾多，如激光功率P（W）、沉積速率V（mm/min）、線間距l（mm）、光斑直徑D（mm）、送粉量Q（g/min）等，為有效評定工藝參數對成形質量的影響，在光斑直徑D=3.0 mm、送粉量Q=20 g/min 的條件下，引入線能量密度λ（J/mm）、體能量密度η（J/mm3）對成形質量進行綜合評定：

式中：h為單層沉積成形厚度，單位為mm。

試驗從“線”到“面”到“體”的成形方式逐步開展，制備編號分別為L1～L5、T1～T4 的試樣，試驗方案和工藝參數設計如表2 所示。

表2 試驗方案和工藝參數設計

為有效觀測成形件的微觀組織結構，采用線切割垂直于成形方向將樣件切開，制備金相試樣，并用1?1.5?2.5?100 的HF-HCl-HNO3-H2O 混合液進行腐蝕，采用XJP-300 型金相顯微鏡觀察沉積成形區的金相組織形貌。通過線切割等加工制備拉伸試樣，采用WDW-100A 型微機控制電試驗機對試樣進行拉伸性能試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 單道線成形性能

圖3 所示為不同線能量密度下單道成形線的截面形貌，從圖中變化情況可以看出能量密度對鋁合金材料激光成形質量起決定性作用。當線能量密度低于120 J/mm（試樣L1：P=2 000 W，V=1 000 mm/min）時，成形線不連續，無法成形。隨著線能量密度的增加，單道線逐漸連續、光滑，當線能量密度達到180 J/mm（試樣L2：P=2 400 W，V=800 mm/min）時，成形線表面有一定的球化顆粒附著，其內部組織存在較多的疏松，如圖3（a）所示。這是因為激光能量密度較低，熔池中送入的鋁合金金屬粉末未能得到充分熔化并攪動，溶解在熔池中的氫難以逸出，導致凝固后疏松等缺陷的存在。當線能量密度達到320 J/mm（試樣L3：P=3 200 W，V=600 mm/min）時，成形線表面連續且光滑，基本無球化顆粒附著，內部疏松、氣孔等消失，組織結構致密，如圖3（b）所示。當線能量密度達到420 J/mm（試樣L4：P=2 800W，V=400 mm/min）時，線成形質量仍較好，如圖3（c）所示。若線能量密度再繼續增加到540 J/mm（試樣L5：P=3 600W，V=400 mm/min）時，成形過程中熔池內部擾動加劇導致周圍氣體的卷入，產生嚴重的氣孔等缺陷，如圖3（d）所示。

圖3 不同線能量密度下單道成形線的截面形貌

2.2 多道面成形性能

圖4 所示為不同體能量密度下成形面的宏觀形貌。從圖中可以看出，試樣T1～T4 成形面[圖4（a）～（d）所示]均較為平整，試樣表面存在一些近圓顆粒凸起，尺寸小于1 mm，這些顆粒狀凸起為激光沉積成形過程中一些靠近熔池的未熔化粉末顆粒受熱燒結而形成，這些顆粒狀凸起的存在降低了成形面的表面光潔度。沉積成形表面可以明顯觀察到逐道搭接的特征，隨著線間距的減小，搭接痕跡趨于模糊，成形表面平整度更好。

圖4 不同體能量密度下成形面的宏觀形貌

2.3 多層體成形性能

圖5 AlSi10Mg激光沉積成形多層體拉伸試樣

圖6 所示為不同體能量密度下成形試樣的拉伸強度數據。從圖中可以看出，隨著體能量密度的增加，拉伸件的拉伸強度呈現先增加后降低的趨勢。當體能量密度為666.7 J/mm3（試樣T3：P =2 800 W，V=400 mm/min，l=1.8 mm，h=0.35 mm）時，試樣拉伸強度達到最大值231.2 MPa，延伸率14.3%，達到鑄態AlSi10Mg 合金拉伸強度220 MPa[12]的105.09%。此后，隨著體能量密度的進一步增加至700.0 J/mm3（試樣T4：P =2 800W，V=400 mm/min，l=1.5 mm，h=0.40 mm）時，成形試樣的拉伸強度反而降低至191.2 MPa，延伸率上升至15.3%。可見，通過激光沉積成形工藝可制備出超過鑄件水平的AlSi10Mg試樣。

圖6 不同體能量密度下成形試樣的拉伸強度數據

3 結論

1）能量密度對鋁合金材料激光沉積成形質量起決定性作用，通過激光沉積成形工藝可制備出超過鑄件水平的AlSi10Mg試樣。

2）線能量密度在320 J/mm～420 J/mm 時成形線質量較好，線能量密度過低時不能有效沉積成形，而過高則成形線內部會形成明顯的氣孔缺陷。

3）體能量密度在666.7 J/mm3時，沉積試樣拉伸強度最高可達231.2 MPa，達到AlSi10Mg 鑄件性能的105.09%。