鋁合金激光選區(qū)熔化制造研究進展

楊 晶，王國軍

(1.中國鋁業(yè)集團有限公司，北京 100082； 2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209)

鋁合金由于具有較低的密度、良好的鑄造性能、塑性加工性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、耐蝕性和可焊性等，在航天航空、軌道交通、電子包裝等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鋁合金加工方法包括軋制、擠壓、拉伸和鍛造等，生產(chǎn)出的鋁合金板材、帶材、箔材、管材、棒材、型材、線材和鍛件(自由鍛件、模鍛件)等不同類型的產(chǎn)品在我國國防建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。

近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)加工方法相比，增材制造采用材料逐層累加的方法將數(shù)字化模型快速而精密地制造為實體零件，不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的“個性化自由制造”[1]。鋁合金增材制造常用的方法包括激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)以及電弧熔絲增材制造(wire arc additive manufacturing, WAAM)等。其中，SLM技術(shù)成形精度高，成形件表面質(zhì)量優(yōu)，在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、變截面件、異形構(gòu)件、異質(zhì)材料梯度功能零件[2-5]等方面具有獨特優(yōu)勢。同時，由于加工過程的層厚小，金屬粉末經(jīng)歷了完全熔化和快速凝固過程，成形件的致密度高、力學(xué)性能好[6-7]。

本文作者綜述了鋁合金SLM制造過程中制粉、加工、后處理等各個環(huán)節(jié)的主要方法、研究進展等，并對鋁合金SLM制造的未來發(fā)展方向進行了展望。

1 鋁合金SLM制造

從原材料到最終產(chǎn)品，SLM制造大致可以分為三個過程：制粉過程、SLM加工過程和后處理過程。

1.1 制粉過程

制備金屬粉末的方法很多，包括霧化法、機械粉碎法、旋轉(zhuǎn)電極法、電化腐蝕法、還原法等。由于SLM制造技術(shù)對金屬粉末的性能要求很高，通常采用霧化法進行生產(chǎn)[8]。霧化法是一種機械制粉法，通過高壓水流、氣流、離心力、超聲波等將液體金屬直接破碎，固化沉降成為金屬粉末。氣霧化和等離子旋轉(zhuǎn)電極法是制備SLM用鋁合金粉末的常用方法。

氣霧化是用高速氣流沖擊金屬熔體，將熔融金屬流擊碎成細小液滴，然后在氣流氛圍中快速冷卻凝固形成粉末。氣霧化技術(shù)迭代升級的核心是噴嘴設(shè)計。噴嘴可以分為自由落體式、限制式、緊耦合、層流超聲等。氣霧化技術(shù)制備的粉末粒度細小、球形度高、氧含量低、具備大量生產(chǎn)的能力且成本低，目前已經(jīng)成為生產(chǎn)高性能球形金屬及合金粉末的主要方法[9]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極法是利用等離子體加熱金屬或合金棒的端部，同時棒料進行高速旋轉(zhuǎn)，依靠離心力使熔化液滴細化，在惰性氣體環(huán)境中凝固并在表面張力作用下球化形成粉末，通過篩分將不同粒徑的粉末分級后得到最終粉末產(chǎn)品。該方法制備的金屬粉末球形度較高，流動性好，但細粉生產(chǎn)成本偏高[10]。

1.2 SLM加工過程

SLM加工技術(shù)由F & S立體光刻公司(F & S Stereolithographie Technik GmbH)和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ILT)的研究人員開發(fā)。SLM制造加工過程如圖1所示。首先通過軟件將立體結(jié)構(gòu)分解為若干層的切片數(shù)據(jù)，然后在基板上鋪覆一層薄薄的粉末，用高強度激光按照切片數(shù)據(jù)掃描選定區(qū)域的粉末進行熔化、熔合。一層掃描完成后，將建筑平臺下移一層，頂部再次鋪覆一層薄薄的粉末，再次掃描直到零件成型。最后去除零件周邊松散的粉末，將零件與基板分離[11]。

圖1 SLM制造過程[11]Fig.1 Process of SLM[11]

SLM加工過程涉及幾種物理現(xiàn)象[11]：

1)粉末材料與激光的相互作用。SLM旨在加熱和熔化金屬材料。如果對激光功率、掃描速度控制不到位，會出現(xiàn)熔化不足、材料蒸發(fā)和匙孔效應(yīng)等問題。

2)球化。球化是SLM中的一種特殊現(xiàn)象，由于前一層的潤濕性和表面張力不足，熔融金屬形成球狀珠，阻礙了連續(xù)熔線的形成，形成粗糙的珠狀表面。

3)熱波動。在SLM過程中，材料經(jīng)歷了不同程度的熱波動，會在所構(gòu)建部件上產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋形成和部件失效。

1.3 后處理過程

材料經(jīng)過SLM加工過程后，通常要采取一定的后處理工藝，例如表面加工、熱處理等。表面加工包括打磨、噴砂等，能夠使工件表面更加光滑。對工件進行熱處理可以釋放內(nèi)應(yīng)力、消除缺陷、實現(xiàn)產(chǎn)品致密化。

2 提高SLM制造鋁合金的力學(xué)性能的主要思路

力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)材料最主要的性能指標(biāo)之一?？偨Y(jié)現(xiàn)有文獻資料，科研人員主要從成分設(shè)計、制粉、SLM加工、后處理等環(huán)節(jié)的工藝控制來提高SLM制造鋁合金力學(xué)性能，以進一步拓展鋁合金SLM加工技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 成分設(shè)計

AlSi10Mg是最早研究、也是目前應(yīng)用最多的SLM鋁合金，其硅含量高、熔點低、熔體流動性好、容易補縮、易于通過激光熔融固化的方式成型。

高強鋁合金，如2×××、7×××系鋁合金等，由于它們在SLM凝固過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，難以實際應(yīng)用。目前，減少熱裂紋的主要思路是通過引入添加劑細化晶粒。添加方式主要有兩種：一種是先將原始合金制粉，然后與添加物粉末進行混合[12-13]；另一種是先制備出含有添加元素的合金，再采用氣霧化[14]等方式制成粉末。

表1總結(jié)了部分鋁合金SLM制造用粉體材料化學(xué)成分與其相關(guān)產(chǎn)品力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系，并與傳統(tǒng)制造方法生產(chǎn)的同種成分鋁合金進行了對比。

表1 SLM鋁合金原材料成分及其力學(xué)性能Table 1 Raw material composition and mechanical properties of aluminum alloy via SLM

以抗拉強度為橫坐標(biāo)、伸長率為縱坐標(biāo)，將表1數(shù)據(jù)繪制成圖2。其中，實心符號為傳統(tǒng)加工方法下產(chǎn)品的力學(xué)性能、空心符號為SLM制造技術(shù)下產(chǎn)品的力學(xué)性能；圓形的為Al-Cu系合金、方形的為Al-Si系合金、三角形為7×××系鋁合金。

從圖2可以看出，SLM鋁合金的力學(xué)性能優(yōu)于同成分下普通鑄態(tài)合金的。如果引入TiB2、TiC、LaB6、Zr等細化晶粒，SLM鋁合金的力學(xué)性能可以達到變形鋁合金的力學(xué)性能水平。細化劑的作用主要是引入形核質(zhì)點，凝固過程生成穩(wěn)定的Al3X相促進形核。例如，Opprecht等人[12]觀察了添加不同比例的釔穩(wěn)定氧化鋯(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)時6061鋁合金SLM制造過程中材料微觀組織的差異，如圖3所示。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)φ(YSZ)= 0.05%和0.2%時，EBSD圖像可以觀察到沿構(gòu)建方向的大柱狀晶；當(dāng)φ(YSZ)= 1%和2%時，EBSD圖像顯示，精細的等軸晶修飾著熔池邊界，而熔池內(nèi)部為較粗的柱狀晶粒；當(dāng)φ(YSZ)= 2%時，熔池邊緣的等軸晶明顯中斷了柱狀晶的生長。進一步對機制方面的分析表明，YSZ顆粒在激光掃描下溶解、反應(yīng)，在冷卻過程中，熔池邊緣有Al3Zr相在Mg/Al氧化物上形成非均勻沉淀，成為晶核促進了等軸晶的生長。

圖2 SLM鋁合金材料及其力學(xué)性能Fig.2 SLM aluminum alloy materials and their mechanical properties

圖3 不同YSZ添加量的6061鋁合金EBSD圖像 [12]Fig.3 EBSD images of 6061 aluminum alloy according to volumetric quantity of YSZ added[12]

2.2 制粉過程工藝控制

金屬粉體材料制造是SLM制造技術(shù)的關(guān)鍵。高質(zhì)量的金屬粉末有助于減少球化現(xiàn)象和產(chǎn)品的裂紋。

1)粒度及分布。圖4是用于SLM加工的理想粉末形態(tài)。使用粒度大小不一的混合粉末的優(yōu)點是，在鋪覆過程中，較小的粉末顆粒會填充在較大的粉末顆粒之間的空隙中，提高部件的致密程度[8]。SLM制造用鋁合金粉末的粒度范圍通常在15 μm～53 μm，部分可放寬至20 μm～60 μm[31]。調(diào)控粉末粒度分布主要從優(yōu)化霧化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)控霧化介質(zhì)和金屬熔體性能等方面進行。

圖4 用于SLM加工的理想粉末形態(tài)Fig.4 Ideal powder morphology for SLM processing

2)空心粉。空心粉會導(dǎo)致SLM制造過程形成氣孔、裂紋缺陷。適用于SLM制造的粉末要求空心粉的比例不大于1%[31]?？招姆垡话愦嬖谟跉忪F化制粉過程中。減少空心粉的方法：一是加強對霧化過程的精準(zhǔn)控制，降低破碎能量；二是采用等離子旋轉(zhuǎn)霧化或離心霧化[32]等不引入高速氣流的制粉方法。

3)球形度、流動性。球形度和流動性會直接影響鋪粉的均勻性，影響成品致密度。一般來說，適用于SLM的鋁合金粉末球形度應(yīng)達到0.92以上，流動性不大于70 s/50 g，或粉末休止角不大于35°[31]。在各種物理、化學(xué)制粉方法中，目前只有霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的金屬粉末能夠滿足球形度要求。同時，通過調(diào)整相關(guān)制粉方法的工藝參數(shù)，可以進一步控制粉末的球形度與流動性。

2.3 SLM加工工藝控制

SLM加工工藝直接影響最終產(chǎn)品構(gòu)件性能。表2簡要總結(jié)了部分文獻中選用的鋁合金SLM加工工藝參數(shù)。一般來說，實驗功率在150 W～375 W之間，掃描速率90 mm/s～2 000 mm/s，粉層厚度20 μm～50 μm，掃描間距80 μm～130 μm。部分實驗中還對基板進行了100 ℃～200 ℃的預(yù)熱。

表2 鋁合金SLM加工工藝參數(shù)Table 2 Parameters of SLM processing for aluminum alloy

1)掃描速度。掃描速度會影響成品孔洞的產(chǎn)生。Qi等人[33]對7050鋁合金SLM制造過程的研究表明，保持激光能量密度197 W，當(dāng)掃描速度從150 mm/s增大到850 mm/s時，隨著掃描速度的提升，孔隙率緩慢增多；當(dāng)掃描速度超過850 mm/s時，孔隙率急劇上升，裂紋密度隨掃描速度增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；當(dāng)掃描速度控制在150 mm/s時，7050鋁合金致密度可以達到99%以上。

2)激光能量密度。提高SLM激光能量密度可以控制裂紋。Bi等人[34]的研究表明，對于鈧、鋯改性7075鋁合金，在高能量密度下，裂紋缺陷消失，平均晶粒尺寸顯著減小，參見圖5。

圖5 不同激光能量密度的SLM試樣EBSD圖像[34]Fig.5 EBSD images of SLM block specimens at different energy densities[34]

3)輔助裝置與加工環(huán)境。對SLM設(shè)備進行改造，降低熱梯度，可以提高鋁合金產(chǎn)品性能。Tan等人[35]將隔熱材料集成到SLM基板上，使得熔池冷卻速度和凝固過程中的熱梯度顯著降低，減少了熔池內(nèi)的熱應(yīng)力，制備的7075鋁合金獲得了無裂紋、精細的等軸組織，其力學(xué)性能與鍛造7075鋁合金的相當(dāng)。此外，為減少氧化，確保SLM加工過程中層與層之間良好的潤濕性和逐層固結(jié)，SLM通常在惰性氣氛(如氬氣、氖氣和氮氣)中進行。

2.4 后處理工藝控制

1)固溶時效。固溶時效處理能夠提高產(chǎn)品構(gòu)件的力學(xué)性能。Hu[36]、Liu[37]、Sun[38]等人對7075鋁合金SLM制造后的熱處理過程的研究表明，固溶時效處理后，收縮率和孔隙率顯著降低；固溶+雙重時效時，合金表現(xiàn)出均勻的細化組織，典型的S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)在晶界析出，通過彌散強化和沉淀強化顯著提高了產(chǎn)品硬度。

2)熱等靜壓。熱等靜壓是另外一種用于鑄造和SLM部件以降低抗拉殘余應(yīng)力和閉合氣孔的常用手段。美鋁公司已經(jīng)在密歇根的Whitehall投資了2千多萬美元用來提高對3D打印的金屬零部件后處理中熱等靜壓的能力。但目前為止，鋁合金SLM加工后進行熱等靜壓的相關(guān)文獻較少，有待進一步研究。

3 展望

盡管鋁合金SLM加工技術(shù)難以替代傳統(tǒng)的鋁加工工藝，但其“自由制造”的潛力仍然值得關(guān)注，并且有望在一些特定的應(yīng)用場景發(fā)揮作用。未來鋁合金SLM制造的發(fā)展方向包括：

1)具有更優(yōu)力學(xué)性能的鋁合金SLM材料體系設(shè)計；

2)低成本、高效率、高品質(zhì)的鋁粉制造工藝開發(fā)；

3)不同材料體系的SLM加工工藝窗口研究；

4)能夠降低熱梯度的SLM加工輔助裝置研究；

5)SLM加工工藝與后處理過程工藝匹配研究；

6)基于拓?fù)鋬?yōu)化的SLM增材制造設(shè)計等。

隨著材料體系、加工工藝、制造機制等方面研究的不斷加深，鋁合金SLM加工技術(shù)將會得到進一步的發(fā)展和完善。