增材制造中空風(fēng)冷板工藝設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

羅 錫,劉 驍,李 珊

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所, 陜西 西安 710068)

0 引 言

機(jī)載計(jì)算機(jī)在強(qiáng)度設(shè)計(jì)和高效散熱方面面臨著嚴(yán)峻的等剛度、低重量的挑戰(zhàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,以機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)際工作條件為邊界條件,把重量指標(biāo)與產(chǎn)品強(qiáng)度及壽命指標(biāo)關(guān)聯(lián),需要采用拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以滿足機(jī)載計(jì)算機(jī)高可靠結(jié)構(gòu)的使用需求。中空風(fēng)冷板的復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)件需要金屬增材制造加工方式實(shí)現(xiàn)。增材制造是一種根據(jù)三維CAD模型切片,將金屬粉材料通過逐層堆積、熔化的方式形成一個(gè)整體產(chǎn)品的直接成形方法,成形過程不受產(chǎn)品復(fù)雜程度的限制。增材制造按三維模型打印,能大大縮短復(fù)雜結(jié)構(gòu)、內(nèi)置空腔結(jié)構(gòu)等長周期零件的制造周期,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品敏捷制造,加快產(chǎn)品迭代頻次,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。因此,中空風(fēng)冷板結(jié)構(gòu)需要增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

筆者針對(duì)中空風(fēng)冷板制造提出了增材制造成形工藝,通過對(duì)中空風(fēng)冷板的模型增材工藝性分析、模型優(yōu)化、粉末選擇、激光成形和表面處理,完成了增材樣件力學(xué)性能和表面處理性能試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證,得出了AlSi10Mg鋁合金中空風(fēng)冷板滿足國軍標(biāo)使用指標(biāo)要求,對(duì)增材制造中空冷板具有一定的參考價(jià)值。

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)也稱為增材制造,是一種利用三維CAD模型以及各種不同類型的加工頭,將可粘性的材料(如塑料、金屬、無機(jī)物等)以及各種復(fù)雜的組件,以精確的方式堆疊到一起,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件生產(chǎn)。通過增材制造技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)高度的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和定制化,從而實(shí)現(xiàn)一種全新的、先進(jìn)的生產(chǎn)方式。采用先進(jìn)的材料加工技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)快速、靈活 、環(huán)保、統(tǒng)一的成型和組裝性能控制,從而滿足客戶的多種需求。

選擇性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)金屬增材制造技術(shù)是一種高精度、高效的金屬三維打印技術(shù),它可以制造出復(fù)雜的金屬零件。SLM利用中小功率激光使金屬粉末快速熔化,然后選區(qū)熔化金屬經(jīng)冷卻快速凝固技術(shù)成型,零部件快速制造成型系統(tǒng)執(zhí)行逐層打印成型,通過一層一層的堆積熔化成形使零件打印完成,SLM增材制造原理如圖1所示。SLM技術(shù)可以獲得非平衡態(tài)過飽和固溶體及均勻細(xì)小的金相組織,致密度近乎 100 %,打印的粉末材料可以是單一金屬粉末、復(fù)合粉末、高熔點(diǎn)難熔合金粉末。

圖1 SLM增材制造原理圖

金屬3D打印制造可分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸入、激光成型、后處理等環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)工藝內(nèi)容如圖2所示。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)是指基于不同的增材制造工藝,通過數(shù)據(jù)處理軟件來對(duì)設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品進(jìn)行前期設(shè)置,以確定是否需要添加支撐以及打孔,確定分層切片的層厚及建造方向[1]。數(shù)據(jù)輸入環(huán)節(jié)是指將處理好的數(shù)據(jù)模型通過網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)導(dǎo)入3D打印設(shè)備中。激光成型環(huán)節(jié)是對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行成型的過程,需要注意的是3D打印通常包含很多小而復(fù)雜的零件,因此正確的保養(yǎng)和校準(zhǔn)是保證打印精度的關(guān)鍵,目前打印機(jī)開始打印過程中無需值守,設(shè)備會(huì)按照自動(dòng)程序運(yùn)行,只需要檢查打印材料的使用情況。后處理環(huán)節(jié)是指在金屬零件成型完成后,需要在退火爐中進(jìn)行應(yīng)力退火,對(duì)于需要添加支撐的零件,在后處理中可通過線切割去除,零件后處理還包括砂紙打磨、拋光、噴砂等工序,以保證零件的表面光潔度。

圖2 增材制造過程環(huán)節(jié)工序內(nèi)容

2 中空風(fēng)冷板3D 打印

2.1 中空風(fēng)冷板模型工藝性分析

在模塊級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),熱仿真分析顯示,采用中空風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的散熱性能比以往風(fēng)冷結(jié)構(gòu)提高了10%,可以滿足長期可靠工作的需求。為了提高散熱效率,模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中空風(fēng)冷結(jié)構(gòu), 中空風(fēng)冷板一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中空風(fēng)冷板圖4模型薄弱區(qū)域分析圖

按照傳統(tǒng)減材制造的模式,需將中空風(fēng)冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解,將其拆解為上下冷板、散熱隔板等零件,零件數(shù)量3～10個(gè)左右,零件數(shù)量多,形成組件工序復(fù)雜,大致工藝應(yīng)為機(jī)械加工零件-焊接或粘接成形-數(shù)控精加工,成品率低,產(chǎn)品一致性差,生成周期長。針對(duì)這類一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)零件,最優(yōu)模式為采用三維設(shè)計(jì)+拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)+3D打印的方式實(shí)現(xiàn),而增材制造方式可適應(yīng)該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的加工,因此將增材制造方式作為中空風(fēng)冷的成形模式。

增材制造零件的設(shè)計(jì)方法應(yīng)符合DfAM(Design for Additive Manufacturing),包括從產(chǎn)品功能指標(biāo)需求出發(fā)的正向設(shè)計(jì),從產(chǎn)品性能提升改進(jìn)出發(fā)的增材制造優(yōu)化再設(shè)計(jì),從增材工藝約束出發(fā)的制造可行性優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于DfAM設(shè)計(jì)理念,在模型設(shè)計(jì)完成后,采用增材制造對(duì)模型進(jìn)行增材工藝性分析,模型存在7處0.3～0.5 mm的薄弱環(huán)節(jié),存在3處封閉區(qū)域,如圖4所示,增材制造過程中存在導(dǎo)致變形、開裂、無法清粉的風(fēng)險(xiǎn)。基于增材制造工藝,需對(duì)模型薄弱區(qū)域進(jìn)行增厚處理,對(duì)封閉區(qū)域進(jìn)行開口處理。

另外,中空風(fēng)冷板框體內(nèi)設(shè)計(jì)了用于芯片散熱的凸臺(tái)和凹槽。通過導(dǎo)熱墊,芯片的熱量被傳導(dǎo)到凸臺(tái)和凹槽,進(jìn)而傳導(dǎo)給中空風(fēng)冷板風(fēng)道。由于增材制造鋁合金表面粗糙度大于6.3,而高粗糙度會(huì)導(dǎo)致接觸熱阻增加。為了確保接觸熱阻達(dá)到常規(guī)銑削件標(biāo)準(zhǔn),考慮將芯片接觸的凸臺(tái)和凹槽需增厚1 mm的工藝余量進(jìn)行增材制造,增材成型后對(duì)凸臺(tái)和凹槽進(jìn)行銑削,以滿足散熱效率要求。

2.2 中空風(fēng)冷板增材工藝性分析

成型方向是決定增材制造產(chǎn)品質(zhì)量非常重要的因素之一。結(jié)構(gòu)特征在哪個(gè)方向上容易打印,哪個(gè)方面具有更好的強(qiáng)度,需要更少的支撐,甚至無需支撐;并且打印區(qū)域特征不能影響產(chǎn)品的性能,不能造成塌陷和封堵,并且打印方向不會(huì)造成打印后零件出現(xiàn)變形和開裂等質(zhì)量問題;成型方向需根據(jù)這些因素進(jìn)行綜合考慮,并進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證。

中空風(fēng)冷板增材制造成型方向及支撐如圖5、6所示。

圖5 豎直成型方向圖

圖5豎直成型方向與內(nèi)部80%風(fēng)道方向一致,可以保證流道處于90°成型方向上,可以很好地保證成型流道表面粗糙度;其余非90°方向進(jìn)行優(yōu)化可保證流道與成型方向大于等于45°,該方向可以確保風(fēng)道表面的粗糙度以滿足設(shè)計(jì)的風(fēng)冷效率要求。圖6選擇將模塊傾斜45°作為成型方向,該方式可以確保不再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),風(fēng)道處于大于等于45°方向,可以確保完成成型,但該方式由于風(fēng)道全部處于小于90°位置,風(fēng)道表面粗糙度會(huì)比圖5成型方向表面粗糙度大,從功能考慮會(huì)降低風(fēng)冷效率。因此,沿中空風(fēng)冷板長度方向豎直放置是成型方向最優(yōu)選擇。

2.3 中空風(fēng)冷板增材粉末選擇

中空風(fēng)冷板作為電路板基座的結(jié)構(gòu)件,具有一定的強(qiáng)度指標(biāo)要求,常規(guī)銑削件通常選用LY12-BCZYu、6061-T651等牌號(hào)鋁合金,其抗拉強(qiáng)度指標(biāo)大于等于290 MPa。依據(jù)對(duì)市場(chǎng)鋁合金增材制造的調(diào)研結(jié)果,AlSi10Mg是現(xiàn)階段大量運(yùn)用的牌號(hào),其打印產(chǎn)品性能如表1所列,滿足抗拉強(qiáng)度指標(biāo)大于等于290 MPa需求,可以作為研究應(yīng)用牌號(hào)。

表1 各家AlSi10Mg試件性能指標(biāo)

另外,國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)外報(bào)道的高強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能指標(biāo)如表2所列,可以作為備選的研究應(yīng)用牌號(hào)。

表2 高強(qiáng)鋁力學(xué)性能指標(biāo)

2.4 中空風(fēng)冷板激光成形

根據(jù)前述工藝分析,在對(duì)模型增加余量的基礎(chǔ)上,通過Materialise進(jìn)行模型修復(fù)后,進(jìn)行模型支撐添加,隨模型一起打印X、Y、Z三個(gè)方向各3個(gè)隨爐試樣,作為后續(xù)強(qiáng)度測(cè)試。基于對(duì)設(shè)備功率以及Al-Si10Mg成熟打印工藝考慮,按照每層厚度60 μm進(jìn)行零件的切片處理。中空風(fēng)冷板參照對(duì)外報(bào)道成熟工藝參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品打印,激光功率390 W[2], 掃描速度2 000 mm/s,掃描間距0.06 mm,打印完成后零件如圖7所示。

圖7 中空風(fēng)冷板打印態(tài)

2.5 中空風(fēng)冷板熱處理

中空風(fēng)冷板打印完成,熱處理采用升溫1.5 h,400 ℃保溫2 h,隨爐冷的熱處理工藝,對(duì)打印中空風(fēng)冷板和隨爐試樣同時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力處理。

2.6 中空風(fēng)冷板表面處理

由于3D 打印工藝的特殊性,打印件組織層層疊加,造成AlSi10Mg鋁合金件的成型零件會(huì)含有一定的孔洞,這種結(jié)構(gòu)和組織增大了零部件表面處理工藝的難度。增材制造的中空風(fēng)冷板在完成產(chǎn)品的精加工后,需進(jìn)行鋁合金化學(xué)導(dǎo)電氧化表面處理。導(dǎo)電氧化工藝執(zhí)行堿洗、三酸洗、冷熱水洗、氧化等工步,由于AlSi10Mg屬于高Si鋁合金,堿洗后黑膜明顯,必需采用三酸清洗去掉黑膜[3],清洗后的零件如圖8所示,氧化后的效果如圖9所示。

圖8 三酸清洗后效果

AlSi10Mg增材制造鋁合金構(gòu)件,經(jīng)三酸工藝處理后進(jìn)行導(dǎo)電氧化,顏色明顯跟常規(guī)銑削鋁合金零件不同,常規(guī)零件為光亮的黃色或彩虹色,增材鋁合金零件氧化后顏色發(fā)青、發(fā)暗。

3 中空風(fēng)冷板性能測(cè)試

3.1 力學(xué)性能測(cè)試

按照增材制造拉伸試樣的要求對(duì)隨爐試樣進(jìn)行加工,加工完成后進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率,試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。從試驗(yàn)結(jié)果來看,抗拉強(qiáng)度各方向均≥290 MPa,斷后伸長率也符合≥12%的要求,打印試樣與6061-T651牌號(hào)力學(xué)性能相當(dāng),滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要。

表3 增材試樣力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.2 表面處理性能測(cè)試

AlSi10Mg拉斷拉伸試樣進(jìn)行加工后,進(jìn)行導(dǎo)電氧化和陽極氧化表面處理,表面處理試件分別進(jìn)行濕熱試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。如圖10、11所示。濕熱試驗(yàn)按照GJB150進(jìn)行,相對(duì)濕度95%,進(jìn)行10個(gè)循環(huán)的濕熱試驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)按照GJB150中性鹽霧進(jìn)行,進(jìn)行4個(gè)循環(huán),共計(jì)192 h。

圖10 試樣濕熱試驗(yàn)圖

濕熱/鹽霧試驗(yàn)后,增材試樣樣品膜層面無起泡、起皺、開裂或脫落,金屬未出現(xiàn)腐蝕,增材制造試樣濕熱鹽霧滿足GJB150指標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

(1) 從技術(shù)可行性驗(yàn)證來看,增材制造AlSi10Mg鋁合金中空風(fēng)冷板技術(shù)可行,產(chǎn)品強(qiáng)度與鋁合金銑削零件強(qiáng)度相當(dāng)。增材制造零件經(jīng)導(dǎo)電氧化和陽極氧化處理后,可滿足GJB150對(duì)機(jī)載產(chǎn)品的使用要求。

(2) AlSi10Mg是一種普遍使用的增材制造鋁合金,其增材制造工藝參數(shù)已經(jīng)成熟。但需根據(jù)產(chǎn)品是否需要后續(xù)加工來調(diào)整打印成型工藝參數(shù),以確保滿足設(shè)計(jì)表面粗糙度要求。對(duì)粗糙度要求高的零件,建議選擇相對(duì)小的功率和掃描速度。

(3) 增材制造零件工藝分析準(zhǔn)備是增材制造重要環(huán)節(jié),成型方向和支撐對(duì)零件粗糙度、變形、殘余應(yīng)力都有明顯影響,優(yōu)化的成型方向和支撐可有效提高增材零件的質(zhì)量。