激光選區(qū)熔化3D打印AlSi10Mg合金的鋪粉厚度

史振偉 王敏杰 戚文軍 牛留輝 劉建業(yè) 張佳琪 劉 煜 王金海

1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連，1160242.廣東漢邦激光科技有限公司，中山，528427

0 引言

粉末床熔融工藝[1-2]是通過熱能選擇性地熔化/燒結(jié)粉末床區(qū)域的增材制造工藝，具有市場響應(yīng)快、可成形復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)、修復(fù)再制造關(guān)鍵零部件等優(yōu)勢，并克服了小批量生產(chǎn)周期長、加工成本高的缺點(diǎn)，在金屬制造領(lǐng)域具有廣闊前景。典型的粉末床熔融工藝包括激光選區(qū)燒結(jié)、激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)和電子束熔化，其中，SLM工作過程穩(wěn)定，能直接成形出質(zhì)量優(yōu)良的結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件，應(yīng)用最為廣泛[3]。

國內(nèi)外學(xué)者已對SLM成形的AlSi10Mg合金做了較多研究。ABOULKHAIR等[4]概述了鋁合金的研究成果(對體能量密度理論和試樣性能分析的總結(jié))，為深入研究AlSi10Mg合金提供了大量數(shù)據(jù)。趙曉明等[5]得出同一工藝參數(shù)下AlSi10Mg合金拉伸試樣的水平方向塑性略優(yōu)于垂直方向塑性的結(jié)論，并對其適用性做了分析。孫兵兵等[6]探究出鋪粉厚度為40 μm時(shí)AlSi10Mg合金的最佳工藝參數(shù)，為工藝參數(shù)組合的探索提供了思路。目前，對AlSi10Mg合金性能的研究以單工藝參數(shù)變量[7-8]為主。還有學(xué)者研究了工藝參數(shù)組合對其他材料的影響。高飄等[9]深入探究了工藝參數(shù)組合對鈦合金性能的影響；閆岸如等[10]研究了鋪粉厚度對激光選區(qū)熔化純鎳打印性能的影響，在滿足性能要求的前提下提高了生產(chǎn)效率；NGUYEN等[11]探究了不同鋪粉厚度下Inconel 718試樣的尺寸精度，發(fā)現(xiàn)鋪粉厚度越小，尺寸精度越高；BUICAN等[12]分析了鋪粉厚度對316-L試樣性能的影響，優(yōu)選了較大鋪粉厚度的工藝參數(shù)組合用于零件的打印，提高了生產(chǎn)效率。上述研究圍繞鋪粉厚度展開性能分析時(shí)，并未針對零部件的功能性需求提供可行性方案，所以深入探究鋪粉厚度對AlSi10Mg合金打印性能的影響，對實(shí)際生產(chǎn)意義重大。

本文基于鋪粉厚度優(yōu)選出3組工藝參數(shù)組合，重點(diǎn)分析了3D打印AlSi10Mg合金的硬度、耐磨性、孔隙缺陷、拉伸性能、尺寸誤差和表面粗糙度。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和成形設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料是南通金源智能技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AlSi10Mg粉末，化學(xué)成分如表1所示。AlSi10Mg粉末通過氣霧化方法制成，粉末粒徑為15～53 μm，圖1所示為掃描電鏡下觀察到的AlSi10Mg粉末微觀形貌，顆粒球形度良好，有利于鋪粉均勻密實(shí)。成形AlSi10Mg合金試樣的SLM設(shè)備(HBD-280)由廣東漢邦激光科技有限公司生產(chǎn)，最大成形尺寸為250 mm×250 mm×300 mm，配備500 W的光纖激光器，校準(zhǔn)偏差為±0.2 W。成形過程通入高純氬氣，成形室氧含量控制在1143 mg/m3以下。

表1 AlSi10Mg粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 AlSi10Mg粉末的微觀形貌

1.2 測試方法

用DigiRock DR3洛氏硬度儀測量試樣上表面和縱截面的表面硬度(5組數(shù)據(jù)的均值)。采用工藝參數(shù)組合成形3個(gè)橫截面為φ12 mm的圓柱試樣，用YMPZ-1設(shè)備在0.7 MPa恒壓下以500 r/min的速度摩擦橫截面，摩擦材料為P120的SiC，摩擦?xí)r長為3 min，用電子天平測量試樣磨損后的質(zhì)量。

試樣鑲嵌、研磨和拋光后，用CDM-806金相顯微鏡觀察孔隙缺陷，每個(gè)試樣磨拋3次，使用Image-Pro-Plus圖像軟件測量孔隙缺陷的孔徑。

使用C51.105電子萬能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)做室溫拉伸性能實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為5 mm/min。

使用 SOBEKK EPS500影像測量儀測量試樣尺寸(取3次測量數(shù)據(jù)的均值)；使用Dumon TR200粗糙度儀測量試樣上表面和側(cè)表面的表面粗糙度(5組測量數(shù)據(jù)的均值)。

1.3 工藝參數(shù)與沉積速率

SLM成形采用條形分區(qū)掃描策略，基本參數(shù)設(shè)為定值：旋轉(zhuǎn)初始角度為57°，旋轉(zhuǎn)增量為67°，離焦量為+2.5 mm，光斑補(bǔ)償為0.18 mm。基于鋪粉厚度通過全面實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出3個(gè)工藝參數(shù)組合，如表2所示。以表2中鋪粉厚度30 μm、50 μm、70 μm的工藝參數(shù)組合(簡稱為鋪粉厚度30 μm、鋪粉厚度50 μm、鋪粉厚度70 μm)成形邊長100 mm的立方體，成形時(shí)間分別為54.8 h、38.6 h和31.6 h，對應(yīng)的沉積速率(單位時(shí)間內(nèi)成形的體積)分別為18.2 cm3/h、25.9 cm3/h和31.6 cm3/h，鋪粉厚度50 μm和70 μm的打印效率較鋪粉厚度30 μm的沉積速率分別增大 42.3%和73.6%。成形橫截面尺寸較大(長、寬、高分別為100 mm、100 mm、10 mm)的零件時(shí)，鋪粉厚度30 μm、50 μm、70 μm的成形時(shí)間分別為5.5 h、3.8 h和3.2 h，對應(yīng)的沉積速率分別為18.2 cm3/h、26.3 cm3/h和31.3 cm3/h，鋪粉厚度50 μm和70 μm的打印效率比鋪粉厚度30 μm的沉積速率分別增大 44.5%和72.0%。因此，在保證成形質(zhì)量的前提下，增大鋪粉厚度是提高打印效率較為有效的手段。

表2 優(yōu)選出的AlSi10Mg合金工藝參數(shù)組合

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度與耐磨性

硬度測量結(jié)果如表3所示，上表面和縱截面的硬度均在63HRB以上，鋪粉厚度70 μm時(shí)成形試樣的上表面硬度最大，大于74HRB。試樣的上表面硬度隨鋪粉厚度的增加而增大。已有研究表明，晶粒越小，試樣顯微硬度越高[13]，因此隨著鋪粉厚度和激光功率的增大，熔池的熱穿透深度增大，熔深增加，微觀組織細(xì)化程度更加明顯[14]，使得抵抗塑性變形的能力增大。試樣縱截面的硬度隨鋪粉厚度的增加而減小，因?yàn)殡S著掃描間距的減小和激光功率的增大，熔道之間重熔區(qū)域增大，更多共晶組織析出[15]，減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得抵抗塑性變形的能力逐漸下降。

表3 硬度測量結(jié)果

同一工藝參數(shù)組合下，試樣的上表面比縱截面硬度高，有研究表明[16]，成形過程中，柱狀晶基本沿著層間堆疊方向生長，垂直于柱狀晶生長方向的性能較差，且上表面的細(xì)晶強(qiáng)化作用更加明顯。本實(shí)驗(yàn)中，層間堆疊方向?qū)?yīng)的截面為上表面，垂直于柱狀晶生長方向?qū)?yīng)的截面為縱截面，因此試樣上表面要比縱截面的硬度高。

3個(gè)工藝參數(shù)組合的成形試樣的上表面摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著時(shí)間的延長，質(zhì)量在均勻減小，因此試樣的磨損量與時(shí)間正相關(guān)，單位面積的磨損量(單位時(shí)間內(nèi)每平方毫米減少的質(zhì)量)均低于1.5×10-5g/(s·mm2)。從硬度分析可知，3個(gè)工藝參數(shù)組合成形的試樣硬度差值在5HRB以內(nèi)，對試樣的摩擦磨損不會(huì)產(chǎn)生太大影響，所以試樣的耐磨性無明顯差異。

圖2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 孔隙缺陷

鋪粉厚度30 μm、50 μm、70 μm成形的試樣孔隙缺陷均以規(guī)則的圓孔為主，孔隙率(孔隙缺陷面積占試樣截面面積的比例)均在0.05%以下，成形效果良好。孔隙缺陷的孔徑占比分布如表4所示，孔徑均在60 μm以下，其中，鋪粉厚度50 μm成形試樣較大孔徑(超過30 μm)的孔隙缺陷占比最小，鋪粉厚度70 μm成形試樣的孔隙缺陷占比最大。這是因?yàn)殇伔酆穸群图す夤β实脑龃髸?huì)產(chǎn)生更大的熔深，使得未溢出的氣體集結(jié)，導(dǎo)致較大孔徑的孔隙缺陷產(chǎn)生的幾率增加[17]。

表4 孔隙缺陷的孔徑占比

由表4可知，孔徑小于20 μm的孔隙缺陷超過90%，這主要是由于熔化冷卻過程中，粉末間的部分氣體來不及排出，殘留在試樣內(nèi)生成微觀孔隙缺陷。另外，多次重復(fù)利用的AlSi10Mg粉末摻雜著打印時(shí)產(chǎn)生的微小雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的熔點(diǎn)較高，而激光提供的能量無法將其熔化，存留在熔道搭接處或進(jìn)入熔融液體內(nèi)。

產(chǎn)生較大孔徑孔隙缺陷的原因是：①激光掃描過程中產(chǎn)生的大顆粒高熔點(diǎn)熔渣粘附在已成形表面，下一層掃描時(shí)無法完全熔化形成雜質(zhì)缺陷；②層間冷凝死角導(dǎo)致夾雜氣體無法排出或未溢出氣體集結(jié)，形成不規(guī)則或規(guī)則孔隙缺陷[18]，典型的孔隙缺陷形貌如圖3所示。

(a)微觀孔隙缺陷(b)雜質(zhì)缺陷和不規(guī)則孔隙缺陷

2.3 拉伸性能

拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，無論是水平方向還是垂直方向，3種鋪粉厚度試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率差距并不明顯，但是鋪粉厚度70 μm成形的試樣屈服強(qiáng)度較低，這可能與自身的孔隙缺陷有關(guān)。鋪粉厚度的增大使較大孔徑孔隙缺陷出現(xiàn)的幾率增大，而孔隙缺陷對裂紋的萌生起到促進(jìn)作用[19]，導(dǎo)致試樣的屈服強(qiáng)度降低。

表5 拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同一工藝參數(shù)組合下，垂直方向的抗拉強(qiáng)度略優(yōu)于水平方向，說明垂直方向的斷裂抗力更好；垂直方向的延伸率低于水平方向，說明水平方向的斷裂韌性更好。

2.4 尺寸誤差與表面粗糙度

測試試樣結(jié)構(gòu)如圖4所示，標(biāo)號L1～L7、D1～D3和N1～N6代表測試試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸和角度。L5誤差較大是因?yàn)榍懈钤嚇訒r(shí)線切割的定位不準(zhǔn)確，因此實(shí)際打印時(shí)一般要在基材上預(yù)打印1 mm的高度。L1～L4是臺階結(jié)構(gòu)的尺寸，3個(gè)工藝參數(shù)組合在不同高度的長度誤差較小，表明成形過程較為穩(wěn)定。D1～D3是圓柱和圓孔的直徑，D1、D2的直徑誤差更小，成形效果也更好，因此打印圓柱和圓孔類零件時(shí)要盡量保證其軸線與Z軸平行。

(a)三維立體圖

尺寸測量結(jié)果如表6、表7所示，除標(biāo)號L5外，其余標(biāo)號的尺寸誤差均在±0.1 mm以內(nèi)，3個(gè)工藝參數(shù)組合成形的測試試樣在尺寸上無明顯差距，基本滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

表6 長度測量結(jié)果

表7 直徑測量結(jié)果

表8所示為角度測量結(jié)果。3個(gè)工藝參數(shù)組合成形的測試試樣中，標(biāo)號N1、N2的角度誤差都

表8 角度測量結(jié)果

大于2°。不添加支撐的情況下，30°懸垂結(jié)構(gòu)的成形效果極差，掛渣現(xiàn)象非常明顯，嚴(yán)重影響零件的使用性能，因此成形30°懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)要添加支撐。30°斜坡結(jié)構(gòu)的臺階痕明顯，影響最終的成形效果。標(biāo)號N3～N6的角度誤差均在±1°以內(nèi)，成形效果良好，但隨著鋪粉厚度的增加，角度誤差逐漸增大。成形零部件時(shí)，提前預(yù)估關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的成形能力可以有效提高生產(chǎn)效率，降低廢品率。

圖5所示為鋪粉厚度30 μm的上表面和側(cè)表面形貌。上表面能清晰看到熔道的搭接，表面粗糙度的最大值由黏附在熔道內(nèi)的熔渣決定，如圖5a中位置E所示，3個(gè)工藝參數(shù)組合成形的試樣上表面的表面粗糙度Ra均小于4 μm。側(cè)表面無明顯的掛渣，顏色偏灰，與AlSi10Mg粉末顏色比較接近，表面粗糙度的最大值由輪廓上孔隙缺陷的大小和深度決定，如圖5b中位置F所示，3個(gè)工藝參數(shù)組合成形的試樣側(cè)表面的表面粗糙度Ra均小于5 μm。由表9可發(fā)現(xiàn)，隨著鋪粉厚度的增大，試樣的表面質(zhì)量逐漸變差，鋪粉厚度30 μm成形試樣的表面粗糙度最小、表面質(zhì)量最優(yōu)。3個(gè)工藝參數(shù)組合成形試樣的上表面的表面粗糙度Ra的差值在2 μm以內(nèi)，對試樣耐磨性無較大影響，這也是耐磨性無明顯差異的原因之一。

(a)上表面 (b)側(cè)表面

表9 表面粗糙度測量結(jié)果

3 結(jié)論

(1)隨著鋪粉厚度的增大，試樣上表面的硬度增大，縱截面的硬度減小，較大孔徑的孔隙缺陷出現(xiàn)的機(jī)率增加，但試樣上表面的耐磨性無明顯差異。

(2)隨著鋪粉厚度的增大，試樣的屈服強(qiáng)度減小，抗拉強(qiáng)度和延伸率差距并不明顯。

(3)隨著鋪粉厚度的增大，角度誤差和表面粗糙度逐漸增大，尺寸誤差無明顯差異。打印圓柱和圓孔類零件時(shí)要盡量保證其軸線與Z軸平行。

(4)打印表面質(zhì)量要求較高或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件時(shí)，選擇較小鋪粉厚度的工藝參數(shù)組合；對零部件的綜合性能要求較高時(shí)，選擇中等鋪粉厚度的工藝參數(shù)組合；零部件質(zhì)量要求不高但打印效率要求較高時(shí)，選擇較大鋪粉厚度的工藝參數(shù)組合。