高強(qiáng)鋁激光選區(qū)熔化成形工藝研究

陳波 孫維澤

摘要：采用金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣的激光選區(qū)熔化（SLM）成形技術(shù)，開展高強(qiáng)鋁（AlMgScZr）成形工藝、組織性能調(diào)控及工程應(yīng)用研究，以確定合適的工藝參數(shù)，打印出合格的零件。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化;高強(qiáng)鋁合金;熱處理

一、概述

作為金屬3D打印的重要材料之一，鋁合金由于密度輕、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)良特性，一直被認(rèn)為是“朝陽材料”。它在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用且具有良好的發(fā)展前景，與3D打印的結(jié)合更是迸發(fā)出新的活力。高強(qiáng)鋁合金是以α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)制，同時加入一定中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo和V進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化和改善工藝性能，該鋁合金具有強(qiáng)度高、焊接性能和工藝性能好等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用來制造發(fā)動機(jī)機(jī)匣、葉片及各種機(jī)身加強(qiáng)框、梁、接頭等飛機(jī)大型復(fù)雜主承力結(jié)構(gòu)件。由于鋁合金變形溫度高、變形抗力大，采用傳統(tǒng)的“鍛造+機(jī)械加工”方法制造大型復(fù)雜鋁合金結(jié)構(gòu)件，不僅工序長、工藝復(fù)雜，而且零件機(jī)械加工去除量大、制造成本高、生產(chǎn)周期很長，無法適應(yīng)市場的需求。

增材制造技術(shù)基于“離散-堆積”的思想，能以低成本和短周期的特點(diǎn)最大程度的滿足各種個性化需求，堪稱制造技術(shù)的一次革命性突破。增材制造技術(shù)在近30年里取得了迅猛的發(fā)展。其中，針對金屬材料的激光選區(qū)熔化（SLM）成形技術(shù)以其高柔性、周期短等一系列特點(diǎn)，成為當(dāng)前裝備制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，也為解決航空航天領(lǐng)域復(fù)雜精密構(gòu)件的制造難題提供了契機(jī)。在“十四五”期間，研制、試制型號會越來越多，在高強(qiáng)鋁合金零件的需求方面會越來越多，開展激光選區(qū)熔化設(shè)備成形高強(qiáng)鋁合金零件工藝研究，確定最佳工藝參數(shù)，可以推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、研究內(nèi)容

激光選區(qū)熔化成形是個復(fù)雜的過程，本文采用模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式研究成形工藝對組織性能的影響規(guī)律。采用有限元模擬技術(shù)研究不同加工參數(shù)下單道、單層多道、多層多道溫度場分布及能量變化規(guī)律，研究加工參數(shù)、燒結(jié)溫度對熔深、熔寬的影響規(guī)律。結(jié)合模擬結(jié)果分析，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步研究激光功率、掃描速度、鋪粉層厚等參數(shù)對微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，確認(rèn)最佳工藝參數(shù)，并研究熱處理技術(shù)對組織及性能的影響規(guī)律。

三、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

1.SLM成形溫度場有限元模擬

利用Ansys軟件模擬成形過程溫度場分布，按照溫度場的基本理論，結(jié)合SLM加工實(shí)際過程，對模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、激光熱源加載及潛熱等具體問題給出解決方案。利用建立的模型，模擬SLM單道掃描過程中，激光功率、掃描速度及初始環(huán)境溫度對熔寬、熔深的影響規(guī)律;在單道掃描的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單層多道掃描模擬，確立最佳掃描線搭接率;進(jìn)行多層多道掃描加工模擬，確定最佳理論加工工藝參數(shù)，為SLM加工進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

2.SLM成形工藝參數(shù)優(yōu)化

SLM技術(shù)成形主要參數(shù)有激光功率、掃描速度和掃描路徑。激光功率、掃描速度決定能量密度，在掃描速度一定的情況下，激光功率越大，能量密度越大;在激光功率一定情況下，掃描速度越快，能量密度越低。掃描路徑影響成形過程的溫度變化、成形件的殘余應(yīng)力和致密度等。在參數(shù)優(yōu)化過程中單道之間的搭接非常重要，能量密度相同情況下，若路徑間距小，則填充致密，打印效率低;若路徑間距過大，容易出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，造成零件缺陷。因此，恰當(dāng)?shù)拇罱邮枪に噮?shù)優(yōu)化的關(guān)鍵。

①激光能量密度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

由于單道成形軌跡與激光能量密度有關(guān)，激光能量密度由激光功率和掃描速度共同確定，因此優(yōu)先確定不同的較優(yōu)參數(shù)組，最后確定最終參數(shù)組。選擇激光功率分別為P1、P2和P3，在每種激光功率下再分別選擇3種掃描速度V1、V2和V3，通過對金相組織熔合狀況進(jìn)行觀察，選出3種較優(yōu)參數(shù)組。然后對比較優(yōu)3組試樣的組織金相、拉伸性能，確定最終激光能量密度，如表1所示。

②掃描路徑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

SLM成形過程中液態(tài)金屬表面張力拖曳其周圍的粉末顆粒，減少相鄰掃描路徑上的粉末。如果掃描策略設(shè)計不合理，致使成形件致密度很難提高。因此，通過成形表面形貌，設(shè)計合理的掃描策略。同時，還可得到較優(yōu)的路徑間距等工藝參數(shù)。選擇掃描策略分別為S1、S2和S3，在每種掃描策略下再分別選擇3種路徑間距R1、R2和R3，通過對金相組織熔合狀況進(jìn)行觀察，選出3種較優(yōu)參數(shù)組。然后對比較優(yōu)3組試樣的組織金相、拉伸性能，確定最終掃描路徑，如表2所示。

③切片參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

選擇不同的切片參數(shù)成形金相式樣和拉伸式樣，如表3所示。對比金相組織和力學(xué)性能結(jié)果，確定較優(yōu)層厚。

3.SLM成形高強(qiáng)鋁合金的熱處理調(diào)控技術(shù)

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，沉積態(tài)下零件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度具有較好的表現(xiàn)，甚至有可能超越同牌號鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，但是塑性的數(shù)據(jù)較差，難以實(shí)現(xiàn)SLM成形高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)韌性匹配。因此，通過熱處理手段對SLM成形高強(qiáng)鋁合金的韌性進(jìn)行調(diào)控是必要的。同時，熱處理過程對高強(qiáng)鋁內(nèi)部組織的分布也有一定的正向作用。

通過合適的熱處理可以大幅度優(yōu)化性能，微量鈧和鋯對鋁合金均具有較明顯的再結(jié)晶抑制作用，析出的彌散、細(xì)小的第二項(xiàng)質(zhì)點(diǎn)與基體共格，且具有較高的熱穩(wěn)定性，在高溫下不長大、不回溶，能強(qiáng)烈的釘扎位錯和晶界，有效阻止位錯的遷移和亞晶的形成、長大或合并。通過設(shè)置不同的熱處理溫度，分析不同熱處理參數(shù)下工件的力學(xué)性能和微觀組織。

四、結(jié)果

1.通過研究，建議采取的工藝參數(shù)為：

2.熱處理建議范圍為：300℃-360℃。

3.可達(dá)到的力學(xué)性能

致密度≥99.4%;

常溫環(huán)境下抗拉強(qiáng)度≥520MPa;

常溫環(huán)境下屈服強(qiáng)度≥500MPa;

常溫環(huán)境下延伸率≥12%;

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基金項(xiàng)目：貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項(xiàng)目“基于3D掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)的工程應(yīng)用探索與教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)”（立項(xiàng)人：孫維澤，項(xiàng)目編號：2021GZHTZY101B）的階段性成果。