鋁合金3D打印直接與間接成型零件的組織和力學(xué)性能研究

張浩然，孫廣合，陳 昊，鄭慧超，張一帆

（北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司工藝技術(shù)部，北京100094）

生產(chǎn)中對于機加工難度較大的的零件，主要采用鑄造、焊接等工藝。由于鋁合金的可焊性比較差，鑄造工藝為其主要的成型方法。隨著近年來3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，金屬直接成型或近凈成型技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，特別是航空、航天領(lǐng)域，比如北京航空航天大學(xué)王華明等人[1]成功制造了單件重量超過110 kg的多個鈦合金結(jié)構(gòu)件及國內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結(jié)構(gòu)件，在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工、大型復(fù)雜的整體關(guān)鍵構(gòu)件的激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。由于3D打印技術(shù)不受零件復(fù)雜程度的影響，具有鑄造不可比擬的優(yōu)勢，且不需要開模具，特別適合于產(chǎn)品的快速驗證。除了金屬3D打印的直接成型以外，還有3D打印的間接成型工藝，其不直接打印金屬零件本身，而是先打印零件的母模，通過母模翻制成模具，然后通過該模具鑄造出最終零件。間接成型的零件本身材質(zhì)仍是鑄造態(tài)，但由于不直接打印金屬，也不需要開金屬模具，因此成本較直接成型工藝要低的多。

為了進一步了解這兩種3D打印工藝的特點，本文分別利用AlSi10Mg和ZL105兩種材質(zhì)進行了直接和間接成型，對成型樣品的組織和力學(xué)性能分別進行了對比。

1 AlSi10Mg的3D打印直接成型

1.1 成型特點

以AlSi10Mg粉末作為材質(zhì)，選用激光選區(qū)熔化工藝直接3D打印零件，成型設(shè)備為德國Concept Laser公司的M2 Multilaser.不同于鑄造工藝，激光選區(qū)熔化工藝通過不同層的粉末逐層熔化堆疊，最終形成零件。其溫度場具有加熱、冷卻、再加熱的特點，這必然也會對零件最終的組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為了弄清這個問題，分別從兩個方向進行分析，即層疊方向和掃描方向。圖1a為打印的實際零件；圖1b的長條形樣品為同步打印試樣用于測試，其中短邊為分層堆疊方向，長邊為激光掃描路徑平面。

圖1 AlSi10Mg激光直接成型

在圖1（b）的試樣上分別沿著短邊和長邊截取片段，進行金相制樣。圖2a為短邊平面上200 μm比例尺的放大照片，圖2b為長邊平面上200 μm比例尺的放大照片。從圖可以看出，由于短邊為分層堆疊方向，其組織具有明顯的層疊結(jié)構(gòu)；而長邊為激光掃描面，條形組織呈現(xiàn)縱橫交錯分布，主要是因為對激光的掃描路徑進行了優(yōu)化，非簡單的光柵或分區(qū)掃描，會根據(jù)掃描區(qū)域的溫度場進行調(diào)整，且表面溫度較高，AlSi10Mg粉末大部分處于完全熔化狀態(tài)，因而組織呈現(xiàn)各向異性。另外需要指出的是，圖2無論是沿著長邊還是短邊，內(nèi)部組織都存在一些黑色的孔洞，這些孔洞應(yīng)為個別未完全熔化的局部點。

圖2 AlSi10Mg試樣兩方向組織分布

1.2 AlSi10Mg成型零件的金相分析

為了研究AlSi10Mg直接成型零件的組織特點，對其金相進行了進一步的放大觀察，如圖3所示。根據(jù)AlSi系合金相圖可知[2，3]，由于材質(zhì)含有10%的硅，接近于共晶點11.7%，因此最終的組織形態(tài)應(yīng)為近共晶組織，如圖3.但與傳統(tǒng)的AlSi合金系組織相比，采用激光選區(qū)熔化打印出的AlSi10Mg樣品，其呈現(xiàn)出的組織形貌明顯不同，雖然組織也主要是由白色的ɑ固溶體和灰色的硅組成，但共晶硅的分布非常彌散化，呈小圓球狀，晶粒也細小的多。究其原因，主要是由于該工藝本身所致，激光每掃描完一層，有一個鋪粉、刮平的過程，該過程使得熔化的區(qū)域得以快速冷卻，其溫度場冷卻梯度不利于共晶硅的聚集長大，從而形成更加細化的晶粒。由于晶粒比較小，與同樣材質(zhì)的鑄態(tài)組織相比，激光選區(qū)熔化零件具有更好的綜合機械性能，下文的力學(xué)性能分析還有詳細的說明。另外，仔細觀察還可以發(fā)現(xiàn)AlSi10Mg粉末熔化后所形成的邊界，該邊界為圖2的邊界放大后效果。

圖3 AlSi10Mg的金相組織

1.3 AlSi10Mg成型零件的力學(xué)性能

如前文所述，AlSi10Mg直接成型零件在層疊（沿短邊）和掃描（沿長邊）兩個平面上的組織形貌有差異，為了明確該差異對性能造成的影響，對兩個平面分別測試布氏硬度，層疊面和掃描面各隨機打三個點，如表1所示。

表1 AlSi10Mg直接成型掃描面和層疊面的硬度

從表1可以看出，兩個面的硬度有一定的差異，掃描面的硬度要大于層疊面，主要是層疊面的分層結(jié)構(gòu)所致。但層疊面的硬度值，仍然大于DIN EN1706標準中給出的EN AC-AlSi10Mg T6鑄造態(tài)的最低硬度值90HBS，說明即使在層疊面上，Al－Si10Mg直接成型零件仍然具有超過鑄造態(tài)零件的力學(xué)特性。

同時還測試了三個試樣在長邊方向的屈服強度、抗拉強度和斷面伸長率三個參數(shù)，測量結(jié)果如表2所示。同樣對比DIN EN1706標準中EN ACAlSi10Mg T6性能指標，這三個參數(shù)分別為220MPa、260 MPa、1%.通過比較可知，AlSi10Mg直接打印成型的零件屈服強度略低于采用同樣材質(zhì)的鑄態(tài)組織，而抗拉強度和斷面伸長率則明顯更高。分析其原因，主要是由于前面提到的激光選區(qū)熔化工藝使共晶硅彌散化以及組織細化所致，無鑄態(tài)零件的粗大組織，晶界較多，因而塑性得到增強。

表2 AlSi10Mg直接成型的力學(xué)參數(shù)測量

2 ZL105的3D打印間接成型

2.1 材質(zhì)對比

如前所述，鋁合金的3D打印技術(shù)還可以采用間接成型工藝，本文選用的間接成型工藝是通過激光選區(qū)燒結(jié)工藝先打印零件的蠟?zāi)＃缓笸ㄟ^蠟?zāi)７瞥隽慵氖嗄?，最后在真空環(huán)境下進行金屬澆鑄。選取一種比較常見的鑄造鋁合金ZL105作為成型材質(zhì)，其化學(xué)成分如表3所示。AlSi10Mg為1#，ZL105為2#.

表3 ZL105與AlSi10Mg的化學(xué)成分對比

通過表3的對比，可以得知1#與2#的主要差別在于Si和Cu含量，Si含量約為AlSi10Mg的1/2，Cu含量有較明顯的增加。

2.2 鑄造鋁合金零件的晶相分析

根據(jù)AlSi系合金相圖可知，由于ZL105材質(zhì)只含有5.23%的硅，小于共晶點11.7%，因此最終的組織形態(tài)應(yīng)為亞共晶組織。從圖4可以看出，試樣的組織與AlSi系合金相圖相似，除了有白色的ɑ基體、灰色的共晶硅和少量初晶硅，還有亮灰色的Al2Cu和少量骨骼狀的Mg2Si組織。白色ɑ相呈現(xiàn)不規(guī)則圓條狀，而共晶硅從圖4b看，呈現(xiàn)小長圓條狀。整體來看，該組織更接近于AlSi合金系的變質(zhì)處理態(tài)，而非帶有明顯尖角的板條狀共晶硅的未變質(zhì)處理態(tài)，因此成型零件的機械性能要好于未變質(zhì)態(tài)，但是硅相的分布沒有激光選區(qū)熔化成型零件的彌散，組織也明顯更加粗大一些。

圖4 ZL105的晶相組織

2.3 鑄造鋁合金零件的力學(xué)性能

本文分別對三個采用間接成型工藝的ZL105試樣進行拉伸試驗，結(jié)果如表4所示。將表4與表2對比可以發(fā)現(xiàn)，由于組織成分中的Si為強化相，較少的Si含量以及組織分布的影響，采用間接成型的ZL105零件綜合力學(xué)性能指標要低于采用直接成型工藝的AlSi10Mg零件。平均屈服強度約低20%，抗拉強度約低10%，斷面收縮率約低40%.但是與常規(guī)鑄造的ZL105力學(xué)性能相比，力學(xué)性能還是有明顯提升，抗拉強度約提升10%，斷面收縮率約提升100%，成型零件的精度也更好。這是因為石膏型熱導(dǎo)性很低，充型時合金液流動保持時間長，適宜鑄造薄壁復(fù)雜件。

表4 ZL105間接成型與常規(guī)鑄造的力學(xué)參數(shù)測量

3 結(jié)束語

對于AlSi10Mg的3D打印直接成型，其組織具有一定方向性，不同的成型平面硬度有所差別，與同樣材質(zhì)的鑄態(tài)零件相比，其共晶硅分布更加彌散，金相組織更加細小，綜合機械性能更高。對于ZL105的3D打印間接成型，由于其本質(zhì)仍為鑄造工藝，因此金相組織與傳統(tǒng)鑄造態(tài)組織相似，但力學(xué)參數(shù)要好于同材質(zhì)常規(guī)鑄造件，而金相組織的尺寸要大于直接成型工藝。

參考文獻：

[1]王華明，張述泉，湯海波，等.大型鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形技術(shù)研究進展[J]．航空精密制造技術(shù)，2008，44（6）：28-30.

[2]劉楚明，蔣樹農(nóng)，陳志永，等.鋁合金相圖冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2014.

[3]李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.