能量密度對選區(qū)激光熔化成形AlSi10Mg合金致密度的影響

史志成，張開宇

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

AlSi10Mg合金鑄造性能優(yōu)異、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。選區(qū)激光熔化(selective laser manufacturing，SLM)技術(shù)可滿足航空航天設(shè)備對輕量化、鏤空、復(fù)雜薄壁等高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件的成形要求。由于鋁合金對激光的吸收率低、材料本身熱導(dǎo)率高、密度小、易氧化等特性導(dǎo)致其SLM成形困難?？傮w來說，鋁合金的SLM成形參數(shù)的設(shè)計還是采取最基本的試誤法。

閆泰起等[1]發(fā)現(xiàn)合適的激光能量輸入是獲得高致密度的關(guān)鍵。鄒亞桐等[2]發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度和掃描間距三個因子對鋁合金SLM成形致密度均有顯著影響。段偉等[3]發(fā)現(xiàn)SLM打印參數(shù)中對AlSi10Mg合金相對密度的影響程度從大到小依次為: 激光功率、掃描速度、掃描間距。孫兵兵等[4]發(fā)現(xiàn)激光能量密度過高或過低均不能得到最佳致密度，最佳工藝參數(shù)下成形AlSi10Mg樣品的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于鑄件標(biāo)準(zhǔn)。鄧竹君等[5]發(fā)現(xiàn)激光功率對SLM成形AlSi10Mg合金的致密度影響較大。

本實驗以AlSi10Mg合金為例，從激光能量密度角度出發(fā)，對如何設(shè)計AlSi10Mg合金SLM成形參數(shù)，獲得高致密度成形件進(jìn)行了研究。

1 激光能量密度模型對比

激光線能量密度模型[4，6]為

(1)

式中：

E線—激光線能量密度，J/mm；

P—激光功率，W；

v—激光掃描速度，mm/s。

激光面能量密度模型[3，7]為

(2)

式中：

E面—激光面能量密度，J/mm2；

P—激光功率，W；

v—激光掃描速度，mm/s；

h—鋪粉層厚，mm。

激光體能量密度模型[8-9]為

(3)

式中：

E體—激光體能量密度，J/mm3；

P—激光功率，W；

d—掃描間距，mm；

h—鋪粉層厚，mm；

v—激光掃描速度，mm/s。

從式(1)、(2)和(3)中可以看出，無論哪種激光能量密度模型，都考慮激光功率P和掃描速度v，因為P和v是影響SLM成形件致密度的主要因子。

實驗對P和v展開參數(shù)設(shè)計，分析研究能量密度對SLM成形AlSi10Mg合金樣品致密度的影響。

2 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

2.1 實驗材料與設(shè)備

使用的實驗材料為AlSi10Mg合金粉末，D10=30.92 μm，D50=44.65 μm，D90=64.09 μm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 AlSi10Mg合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

使用德國通快集團(tuán)的TruPrint1000進(jìn)行SLM成形實驗。該設(shè)備單激光最高功率為200 W，有效成形尺寸最大為Φ98 mm×80 mm，光斑直徑30 μm。成形前，通入氬氣將成形腔內(nèi)氧含量(體積分?jǐn)?shù))控制在0.01%以下。

使用青島海析儀器有限公司的HX-TD型真密度測試儀測量樣品的真實密度。該儀器應(yīng)用阿基米德原理-氣體膨脹置換法，以氦氣取代排水法測定樣品所排開的體積，可避免排水法中由于樣品溶解造成的測試誤差。AlSi10Mg合金的理論密度為2.68 g/cm3，通過測量密度與理論密度之比即得出樣品的致密度。

2.2 實驗參數(shù)設(shè)計

單層鋪粉層厚設(shè)置為0.02 mm，掃描間距設(shè)置為0.06 mm。將影響SLM成形件致密度的主要參數(shù)激光功率和掃描速度作為控制因子，每個因子各取3個水平，在同一實驗參數(shù)下成形3個樣品并將測量的致密度取平均值作為最終結(jié)果。具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2 工藝參數(shù)

SLM成形AlSi10Mg合金樣品如圖1所示，共27個樣品，單個樣品尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

圖1 實驗測試樣品

2.3 結(jié)果分析

圖2為不同激光功率SLM成形AlSi10Mg合金的致密度隨掃描速度變化曲線。由圖2可知，在不同的激光功率下，隨著掃描速度從1 000 mm/s增加到1 400 mm/s，AlSi10Mg合金成形樣品致密度的變化是不同的。當(dāng)激光功率為125 W時和175 W時，隨掃描速度增加，樣品致密度升高，尤其在掃描速度由1 000 mm/s增加到1 200 mm/s時，175 W時的樣品致密度升高較為明顯。當(dāng)激光功率為150 W時，隨著掃描速度增加，樣品致密度先升高后降低。這表明，激光能量密度過高或過低均無法得到最佳的致密度，合適的激光能量密度才能提高零件的致密度，這與閆泰起[1]、孫兵兵[4]等人的研究結(jié)果相同。

圖2 不同激光功率SLM成形AlSi10Mg合金致密度隨掃描速度變化曲線

本實驗主要針對致密度影響較大的工藝參數(shù)激光功率和掃描速度展開研究，根據(jù)式(1)、(2)和(3)，由于其他參數(shù)設(shè)置相同，所以E線、E面和E體的變化趨勢是相同的，只需研究E線的影響。

圖3為不同能量密度SLM成形AlSi10Mg合金的致密度。由圖3可知，當(dāng)激光功率為125 W和175 W時，隨著掃描速度減小，即E線的增加，樣品致密度降低；當(dāng)激光功率為150 W時，隨著掃描速度減小，即E線的增加，樣品致密度先升高后降低。

圖3 不同能量密度SLM成形AlSi10Mg合金的致密度

合適的激光能量密度在熔化當(dāng)前層粉末顆粒的同時，會重新熔融部分已凝固層，使得已凝固層中夾雜的未熔粉末顆粒及氣孔在此過程中熔化或逸出，會提高成形樣品的致密度。能量密度減少，粉末熔化不充分，甚至部分粉末未熔，導(dǎo)致致密度降低；而能量密度過多，在完全熔化粉末顆粒的同時，會造成部分熔體飛濺出來，冷卻后在成形表面形成球狀顆粒，影響下一層的鋪粉效果，從而降低致密度。

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，在E線為0.125 J/mm時，不同功率下的樣品致密度也不同。

SLM成形過程中，熔池的溫度與激光功率密度息息相關(guān)，引入激光功率密度模型[10]：

(4)

式中：

φ—激光功率密度，W/cm2；

P—激光功率，W；

r—光斑半徑，cm。

SLM技術(shù)中功率密度一般為105W/cm2～107W/cm2的激光與金屬粉末材料發(fā)生作用[11]。由式(4)計算得，當(dāng)激光功率為125 W、150 W和175 W時，激光功率密度分別為1.77×107W/cm2、2.12×107W/cm2和2.41×107W/cm2。

在SLM成形過程中，材料的溫度在Tsintering和Tmelting之間時，材料不能完全熔融，仍存在固體粉末顆粒，導(dǎo)致致密度降低；材料的溫度超過Tmelting時，部分材料汽化，也會影響致密度；當(dāng)溫度在Tmelting附近時，成形致密度會高。這表明，本實驗中功率150 W、功率密度2.12×107W/cm2時，能恰好滿足SLM成形AlSi10Mg合金所需的熔化溫度，而掃描速度又與激光作用粉末表面時間相關(guān)，這也是激光功率和掃描速度是影響致密度的兩大影響因子的原因。因為目前SLM設(shè)備無法實時偵測熔池某一點的溫度，所以仍需通過大量實驗來尋找某種材料合適的加工參數(shù)。

3 結(jié) 論

1)SLM成形AlSi10Mg合金時，激光能量密度過高或過低均無法得到最佳致密度，合適的激光能量密度才能提高致密度。

2)激光功率對致密度影響較大，相同激光能量密度、不同激光密度下的樣品致密度不同。

3)三類激光能量密度模型未能考慮激光功率對SLM成形件致密度的影響，需進(jìn)一步完善模型。