能量密度對(duì)AlSi10Mg 合金激光沉積成形性能的影響*

劉艷艷 ， 杜長(zhǎng)星

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)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?yán)猛剿徒o的金屬粉末材料，可直接成形制造大尺寸金屬結(jié)構(gòu)件，具有成形效率高、成形尺寸大等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車模具等領(lǐng)域大尺寸結(jié)構(gòu)件的快速成形制造方面具有廣泛應(yīng)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(jī)械性能已基本能夠接近甚至達(dá)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(dǎo)熱性以及等離子體的屏蔽作用，在激光沉積過(guò)程中易形成氣孔、夾渣、氧化膜等缺陷，嚴(yán)重影響著增材成形件的形狀精度和力學(xué)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(píng)定參數(shù)，進(jìn)行鋁合金材料的激光金屬沉積工藝試驗(yàn)研究，分析并研究其對(duì)鋁合金材料增材成形件性能的影響，為大尺寸鋁合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)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(xué)成分如表1所示?；w材料為鑄態(tài)AlSi10Mg板材，尺寸200 mm×120 mm×20 mm。試驗(yàn)前采用打磨方式去除基板表面氧化膜，并用丙酮進(jìn)行清洗。

表1 AlSi10Mg材料化學(xué)成分

圖1 AlSi10Mg粉末顆粒形貌

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

工藝試驗(yàn)在激光熔融沉積增材成形設(shè)備上進(jìn)行，系統(tǒng)主要包括Laserline 6000 型高功率光纖激光器、KUKA 機(jī)械手、同軸熔覆頭、負(fù)壓式送粉器、自制惰性氣體保護(hù)成形艙等。試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

考慮到影響鋁合金沉積成形的工藝參數(shù)眾多，如激光功率P（W）、沉積速率V（mm/min）、線間距l(xiāng)（mm）、光斑直徑D（mm）、送粉量Q（g/min）等，為有效評(píng)定工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)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(duì)成形質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定：

式中：h為單層沉積成形厚度，單位為mm。

試驗(yàn)從“線”到“面”到“體”的成形方式逐步開(kāi)展，制備編號(hào)分別為L(zhǎng)1～L5、T1～T4 的試樣，試驗(yàn)方案和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

為有效觀測(cè)成形件的微觀組織結(jié)構(gòu)，采用線切割垂直于成形方向?qū)蛹虚_(kāi)，制備金相試樣，并用1?1.5?2.5?100 的HF-HCl-HNO3-H2O 混合液進(jìn)行腐蝕，采用XJP-300 型金相顯微鏡觀察沉積成形區(qū)的金相組織形貌。通過(guò)線切割等加工制備拉伸試樣，采用WDW-100A 型微機(jī)控制電試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)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(duì)鋁合金材料激光成形質(zhì)量起決定性作用。當(dāng)線能量密度低于120 J/mm（試樣L1：P=2 000 W，V=1 000 mm/min）時(shí)，成形線不連續(xù)，無(wú)法成形。隨著線能量密度的增加，單道線逐漸連續(xù)、光滑，當(dāng)線能量密度達(dá)到180 J/mm（試樣L2：P=2 400 W，V=800 mm/min）時(shí)，成形線表面有一定的球化顆粒附著，其內(nèi)部組織存在較多的疏松，如圖3（a）所示。這是因?yàn)榧す饽芰棵芏容^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(dòng)，溶解在熔池中的氫難以逸出，導(dǎo)致凝固后疏松等缺陷的存在。當(dāng)線能量密度達(dá)到320 J/mm（試樣L3：P=3 200 W，V=600 mm/min）時(shí)，成形線表面連續(xù)且光滑，基本無(wú)球化顆粒附著，內(nèi)部疏松、氣孔等消失，組織結(jié)構(gòu)致密，如圖3（b）所示。當(dāng)線能量密度達(dá)到420 J/mm（試樣L4：P=2 800W，V=400 mm/min）時(shí)，線成形質(zhì)量仍較好，如圖3（c）所示。若線能量密度再繼續(xù)增加到540 J/mm（試樣L5：P=3 600W，V=400 mm/min）時(shí)，成形過(guò)程中熔池內(nèi)部擾動(dòng)加劇導(dǎo)致周圍氣體的卷入，產(chǎn)生嚴(yán)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(guò)程中一些靠近熔池的未熔化粉末顆粒受熱燒結(jié)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(qiáng)度數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，隨著體能量密度的增加，拉伸件的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)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(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值231.2 MPa，延伸率14.3%，達(dá)到鑄態(tài)AlSi10Mg 合金拉伸強(qiáng)度220 MPa[12]的105.09%。此后，隨著體能量密度的進(jìn)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(shí)，成形試樣的拉伸強(qiáng)度反而降低至191.2 MPa，延伸率上升至15.3%?？梢?jiàn)，通過(guò)激光沉積成形工藝可制備出超過(guò)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(qiáng)度數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

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

2）線能量密度在320 J/mm～420 J/mm 時(shí)成形線質(zhì)量較好，線能量密度過(guò)低時(shí)不能有效沉積成形，而過(guò)高則成形線內(nèi)部會(huì)形成明顯的氣孔缺陷。

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