激光熔化沉積鋁合金顯微組織及力學性能

張建巧，孫旋，羅兆偉

激光熔化沉積鋁合金顯微組織及力學性能

張建巧，孫旋，羅兆偉

（河北科技工程職業(yè)技術大學，河北 邢臺 054000）

提高激光熔化沉積鋁合金的成形質(zhì)量。以顆粒度45～105 μm的AlSi10Mg粉末為材料，4045鋁合金為基板，利用激光熔化沉積設備在充氬艙內(nèi)進行鋁合金成形試驗。測試試樣的硬度和拉伸性能，并通過掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡進行顯微組織形貌分析。在沉積方向上，試樣顯微組織呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路，搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征；含有大量的細密樹枝晶。該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強化相。沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV；沉積態(tài)試樣的屈服強度約為185.75 MPa，伸長率約為15.21%；沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣；該鋁合金的失效形式為韌性斷裂。AlSi10Mg在激光熔化沉積時具有良好的成形能力，沉積態(tài)的組織強度高于鑄態(tài)組織強度。

激光熔化沉積；AlSi10Mg；顯微組織；力學性能

作為一種激光金屬增材制造技術，激光熔化沉積技術具有比較明顯的優(yōu)勢，如成型零部件晶粒細小、組織致密、成分均勻、性能良好，除成型外，該技術還可用于熔覆和修復[1-3]。一般情況下，激光熔化技術大體可分為2種：一種是送絲式；另一種是送粉式。目前，激光熔化沉積技術已經(jīng)逐步推廣到很多工業(yè)領域，特別是鋁合金成形[4-5]。AlSi10Mg鋁合金是一種比較常見的Al-Mg-Si系亞共晶鋁合金，具有密度低、耐腐蝕、強度高、導熱性好等優(yōu)點，在能源動力、汽車交通、航空航天等領域的應用比較廣泛。最近幾年，許多學者已開展激光熔化沉積研究，研究對象囊括了鎳基合金、不銹鋼、鋁合金、鈦合金及其復合材料等。但是AlSi10Mg鋁合金導熱率高、能量吸收率低、容易氧化，所以采用激光熔化沉積技術實現(xiàn)成形具有一定難度，關鍵在于工藝參數(shù)控制[6-9]。李俐群等[10]研究了激光熔化沉積AlSi10Mg技術以及氣孔對力學性能的影響，探討了氫氣孔在激光熔化沉積制造的試件中產(chǎn)生的機理，給出了利用激光沉積工藝制備穩(wěn)定的AlSi10Mg合金的策略。呂非等[11]研究了AlSi10Mg鋁合金激光熔化沉積顯微組織及力學性能，所得試樣拉伸強度可達292 MPa，教鑄件提高了33%。陳永城等[12]研究了激光熔化沉積4045鋁合金顯微組織及顯微硬度，為高性能Al-Si合金構件的激光熔化沉積制備提供了試驗數(shù)據(jù)和理論基礎。張堃等[13]采用選區(qū)激光熔化成形技術制備了AlSi10Mg合金、TiB2/ AlSi10Mg復合材料，并表征分析了組織結構和力學性能等指標。在AlSi10Mg合金中加入增強相TiB2后，成形件的致密度由96.8%升高至99.4%、屈服強度由156.3 MPa升高至170.1 MPa、斷裂強度則由366.3 MPa升高至413.4 MPa。鄒亞桐等[14]為提高AlSi10Mg合金激光選區(qū)熔化成形致密度，對影響的主因素：激光功率、掃描速度和掃描間距，進行了優(yōu)化研究，引入能量密度模型，綜合表征能量輸入與致密度之間的作用關系。研究結果表明能量密度在4.0～6.0 J/mm2范圍內(nèi)時，致密度可達98%以上。沙春生等[15]研究了535 ℃固溶溫度下不同固溶時間對激光選區(qū)熔化AlSi10Mg鋁合金顯微組織及顯微硬度的影響，在535 ℃固溶溫度下，由納米尺寸網(wǎng)狀Al-Si共晶和過飽和α-Al固溶體組成的激光選區(qū)熔化AlSi10Mg顯微組織對固溶時間非常敏感，固溶2 min后熔池邊界及網(wǎng)狀共晶組織消失，固溶5 min后共晶Si便發(fā)生明顯球化，共晶Si尺寸隨著固溶時間的延長而增大.伴隨著顯微組織的變化，AlSi10Mg的顯微硬度從固溶前的HV(119_3.2)迅速降低,并隨著固溶時間的延長最終穩(wěn)定在HV57左右。王悅等[16]采用激光選區(qū)熔化制備了致密度達99.63%、力學性能良好的AlSi10Mg樣品，對比分析了不同熱處理工藝對樣品平行于基板方向組織與性能的影響。沉積態(tài)樣品水平方向的抗拉強度可達478 MPa,伸長率約8%，平均硬度約122HV。經(jīng)130 ℃、4 h的時效后，熔池仍然保留完整的網(wǎng)狀Si結構，在保持高強度的同時，塑性提高到約11.9%，平均硬度也增至約133HV，與沉積態(tài)相比提升了10%。

文中在現(xiàn)有研究的基礎上，對激光熔化沉積A1Si10Mg合金的成形工藝、組織性能和力學性能進行探討，為鋁合金激光熔化沉積技術提供借鑒和參考。

1 試驗

試驗材料選用AlSi10Mg粉末，主要合金元素為Si和Mg，顆粒直徑為45～105 μm。該粉末的具體成分如下：Si的質(zhì)量分數(shù)9.00%～11.00%，Mg的質(zhì)量分數(shù)0.25%～0.45%，Cu的質(zhì)量分數(shù)不大于0.10%，Zn的質(zhì)量分數(shù)不大于0.30%，Mn的質(zhì)量分數(shù)0.20%～ 0.50%，Sn的質(zhì)量分數(shù)不大于0.01%，Pb的質(zhì)量分數(shù)不大于0.05%，F(xiàn)e的質(zhì)量分數(shù)不大于1.00%，其余均為Al。粉末的微觀形貌如圖1所示。沉積基板選用25 mm厚的4045鋁合金，沉積前需進行化學清洗以去除表面氧化膜[17]。

圖1 AlSi10Mg粉末微觀照片

激光熔化沉積設備主要包括激光器系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、氣體保護系統(tǒng)、KUKA機器人。其中激光器為YLR-5000型5 kW光纖激光器，送粉系統(tǒng)為MF-PF2/2雙桶送粉器。為保證鋁合金成形質(zhì)量，所有試驗均在充氬艙內(nèi)進行[18-19]。激光熔化沉積工藝參數(shù)如下：功率2 000 w，掃描速度8 mm/s，光斑直徑3 mm，送粉速度16 g/min，掃描間距15 mm，監(jiān)測距離10 mm。

通過電火花切割獲取沉積試樣，經(jīng)砂紙打磨、機械拋光后腐蝕觀察組織，腐蝕溶液為2.5 ml硝酸、1.5 ml鹽酸、1.0 ml氟化氫、100 ml水的混合液，腐蝕時間為12～14 s，迅速用水洗凈并吹干。文中利用Olympus BX51M型光學顯微鏡以及CS3400型掃描電鏡對顯微組織和成分進行分析。

文中采用HVS-1000Z型顯微硬度儀對激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣分別沿沉積方向和掃描方向進行顯微硬度測試，載荷200 g，加載時間為15 s。采用萬能試驗機在室溫下對激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣進行拉伸性能測試。拉伸樣件尺寸如圖2所示，其中1=40 mm，2=20 mm，1=6 mm，2=2 mm，=1 mm，=2 mm。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

2.1 顯微組織形貌

A1Si10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3a可以看出，在沉積方向上，試樣呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路；相鄰沉積層之間存在一條比較明顯的白亮帶，即熔覆層之間界線非常明顯；所有界線近似平行分布；整個試樣被分割為若干寬度基本一致的層帶。從圖3b和圖3c分別對應的是與掃描方向平行、與掃描方向垂直的角度拍攝的金相顯微鏡圖片，從2幅圖中可以看出：搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征，所有搭接弧面均比較圓滑，熔池形貌類似。另外，從平行或者垂直角度獲得的試樣組織中含有大量的細密樹枝晶，通過白亮帶的搭接現(xiàn)象可以說明試樣各層間通過冶金方式結合，結合穩(wěn)定并未出現(xiàn)熔合不良的現(xiàn)象。

進一步地，選取試樣頂部和中-底部搭接區(qū)域顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可以看出：試樣顯微組織呈現(xiàn)為貫穿多個沉積層的連續(xù)外延生長的定向柱狀晶組織，生長方向沿沉積方向但并不是完全垂直；頂部區(qū)域則由柱狀晶向等軸晶轉變。沉積過程中，熔池是由基材表面被激光束作用形成，在初期過程中，基材具有較低的溫度，熔池底部具有最高的溫度梯度，此時熱能傳遞主要是由熔池的底部垂直方向向基材表面?zhèn)鬟f熱量傳遞，這種情況下形成了柱狀枝晶；另一方面在熱能的累積過程中，基材溫度是連續(xù)升高并最終趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象會降低溫度梯度，進而降低了基材中熱能傳導的強度，主要是通過對流散熱為主，此時熔池也表現(xiàn)為多方向散熱現(xiàn)狀，這種情況下形成了等軸晶[20]。

圖3 沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌

2.2 成分分析

如上所述，AlSi10Mg屬于亞共晶鋁-硅合金，Si為主要合金元素，除此之外Mg、Fe等元素的含量也比較高。經(jīng)XRD分析，該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強化相。在整個凝固過程中，該合金最先析出Si相；然后與基體Al形成Al-Si共晶組織；Mg元素會與Si元素發(fā)生反應生成Mg2Si相。析出相顯微組織形貌如圖5所示。

圖5 析出相顯微組織形貌

2.3 力學性能

沉積方向和掃描方向試樣顯微硬度如圖6和圖7所示，顯微硬度作為硬度測量的一種，可以用來表征金屬材料試樣抵抗彈塑性的能力。從圖6可以看出，沿沉積方向，試樣顯微硬度波動式增長，主要原因在于沉積過程中試樣內(nèi)部組織結構出現(xiàn)演變。在激光熔化沉積的過程中，沉積的層數(shù)是逐漸增加的，遠離基體的位置顯微硬度越高，上層熔化沉積會造成底部沉積層不斷高溫回火的狀態(tài)，最頂部的沉積層（即遠離基體材料）回火時間最短，組織最細密，晶界最多，此時的結構組織逐漸從枝晶向著等軸晶進行轉變，因此硬度最大。同時從圖6可以看出，沿著沉積方向，顯微硬度的數(shù)值表現(xiàn)出規(guī)律性波動行為，這主要是因為沉積層的內(nèi)部硬度高于層帶處所導致的。

圖6 沉積方向顯微硬度

從圖7可以看出，沿掃描方向，試樣顯微硬度分布還是比較均勻的，只有在重熔搭接區(qū)試樣的硬度會略微下降。沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：掃描方向硬度值略高于沉積方向，主要是因為沉積方向的組織為樹枝晶，枝晶干組織粗大，而掃描方向枝晶組織比較細密。但是從整體上看，激光熔化沉積A1Si10Mg鋁合金顯微組織均勻，不同區(qū)域的顯微硬度波動較小，故鋁合金致密性良好，達到了力學性能要求。

室溫條件下，對鋁合金沉積態(tài)試樣進行拉伸測試。拉伸曲線如圖8所示，測試結果表明：沉積態(tài)試樣的屈服強度約為185.75 MPa，伸長率約為15.21%；對比來看，壓鑄AlSi10Mg的屈服強度約為165 MPa，伸長率約為3.5%。沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣，特別在伸長率方面。

圖7 掃描方向顯微硬度

圖8 拉伸曲線

沉積態(tài)拉伸試樣斷裂后的宏觀形貌如圖9所示，斷口SEM形貌如圖10所示。從端口形貌可以看出：斷口表面為暗灰色，呈纖維狀，比較粗糙；斷裂面與拉伸方向基本垂直；斷裂處出現(xiàn)一定程度的頸縮現(xiàn)象但沒有明顯的放射狀特征。斷口纖維區(qū)存在比較典型的韌窩特征，因此激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金的失效形式為韌性斷裂。

圖9 斷裂宏觀形貌

圖10 斷口SEM形貌

3 結論

文中對激光熔化沉積AlSi10Mg顯微組織及力學性能進行了研究，得到如下結論。

1）在沉積方向上，試樣顯微組織呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路，搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征；含有大量的細密樹枝晶。

2）該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強化相。

3）沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV；沉積態(tài)試樣的屈服強度約為185.75 MPa，伸長率約為15.21%；沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣；該鋁合金的失效形式為韌性斷裂。

[1] 陳博, 邵冰, 劉棟, 等. 熱處理對激光熔化沉積TC17鈦合金顯微組織及力學性能的影響[J]. 中國激光, 2014, 41(4): 57-63.

CHEN Bo, SHAO Bing, LIU Dong, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Melting Deposited TC17 Titanium Alloy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(4): 57-63.

[2] DING Y, MU?IZ-LERMA J A, TRASK M, et al. Microstructure and Mechanical Property Considerations in Additive Manufacturing of Aluminum Alloys[J]. MRS Bulletin, 2016, 41(10): 745-751.

[3] LI Ya-li, GU Dong-dong. Parametric Analysis of Thermal Behavior during Selective Laser Melting Additive Manufacturing of Aluminum Alloy Powder[J]. Materials & Design, 2014, 63: 856-867.

[4] 王程錦, 梁京, 陳歲元, 等. 激光直接沉積成形15Cr21Ni7-xMo不銹鋼顯微組織及性能研究[J]. 應用激光, 2017, 37(1): 11-16.

WANG Cheng-jin, LIANG Jing, CHEN Sui-yuan, et al. Study on Microstructures and Properties of Direct Laser Deposited 15Cr21Ni7-xMo Stainless Steels[J]. Applied Laser, 2017, 37(1): 11-16.

[5] 丁瑩, 楊海歐, 白靜, 等. 激光立體成形AlSi10Mg合金的微觀組織及力學性能[J]. 中國表面工程, 2018, 31(4): 46-54.

DING Ying, YANG Hai-ou, BAI Jing, et al. Microstructure and Mechanical Property of AlSi10Mg Alloy Prepared by Laser Solid Forming[J]. China Surface Engineering, 2018, 31(4): 46-54.

[6] 張文奇, 朱海紅, 胡志恒, 等. AlSi10Mg的激光選區(qū)熔化成形研究[J]. 金屬學報, 2017, 53(8): 918-926.

ZHANG Wen-qi, ZHU Hai-hong, HU Zhi-heng, et al. Study on the Selective Laser Melting of AlSi10Mg[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(8): 918-926.

[7] CHEN Bo, YAO Yong-zhen, SONG Xiao-guo, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Additive Manufacturing AlSi10Mg Alloy Using Direct Metal Deposition[J]. Ferroelectrics, 2018, 523(1): 153-166.

[8] JAVIDANI M, ARREGUIN-ZAVALA J, DANOVITCH J, et al. Additive Manufacturing of AlSi10Mg Alloy Using Direct Energy Deposition: Microstructure and Hardness Characterization[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2017, 26(4): 587-597.

[9] ABOULKHAIR N T, MASKERY I, TUCK C, et al. The Microstructure and Mechanical Properties of Selectively Laser Melted AlSi10Mg: The Effect of a Conventional T6-Like Heat Treatment[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 667: 139-146.

[10] 李俐群, 王憲, 曲勁宇, 等. 激光熔化沉積AlSi10Mg及氣孔對力學性能的影響[J]. 中國表面工程, 2019, 32(3): 109-114.

LI Li-qun, WANG Xian, QU Jin-yu, et al. Effects of Porosity on Mechanical Properties of Laser Metal Deposited AlSi10Mg Alloy[J]. China Surface Engineering, 2019, 32(3): 109-114.

[11] 呂非, 田宗軍, 梁繪昕, 等. AlSi10Mg鋁合金激光熔化沉積顯微組織及力學性能[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2018, 46(10): 117-125.

LYU Fei, TIAN Zong-jun, LIANG Hui-xin, et al. Microstructures and Mechanical Properties of AlSi10Mg Aluminum Alloy Fabricated by Laser Melting Deposition[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2018, 46(10): 117-125.

[12] 陳永城, 張述泉, 田象軍, 等. 激光熔化沉積4045鋁合金顯微組織及顯微硬度[J]. 中國激光, 2015, 42(3): 100-106.

CHEN Yong-cheng, ZHANG Shu-quan, TIAN Xiang-jun, et al. Microstructure and Microhardness of 4045 Aluminum Alloy Fabricated by Laser Melting Deposition[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(3): 100-106.

[13] 張堃, 吳姚莎, 劉曉飛, 等. TiB2/AlSi10Mg選區(qū)激光熔化成形組織與性能[J]. 有色金屬工程, 2021, 11(12): 43-49.

ZHANG Kun, WU Yao-sha, LIU Xiao-fei, et al. Microstructure and Properties of TiB2/AlSi10Mg Composite Prepared by Selective Laser Melting[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2021, 11(12): 43-49.

[14] 鄒亞桐, 魏正英, 杜軍, 等. AlSi10Mg激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)對致密度的影響與優(yōu)化[J]. 應用激光, 2016, 36(6): 656-662.

ZOU Ya-tong, WEI Zheng-ying, DU Jun, et al. Effect and Optimization of Processing Parameters on Relative Density of AlSi10Mg Alloy Parts by Selective Laser Melting[J]. Applied Laser, 2016, 36(6): 656-662.

[15] 沙春生, 劉海英, 王聯(lián)鳳, 等. 固溶時間對激光選區(qū)熔化AlSi10Mg顯微組織及顯微硬度的影響[J]. 宇航材料工藝, 2019, 49(2): 54-58.

SHA Chun-sheng, LIU Hai-ying, WANG Lian-feng, et al. Effect of Solid Solution Time on Microstructure and Micro-Hardness of AlSi10Mg Alloy Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Aerospace Materials ＆ Technology, 2019, 49(2): 54-58.

[16] 王悅, 王繼杰, 張昊, 等. 熱處理對激光選區(qū)熔化AlSi10Mg合金顯微組織及力學性能的影響[J]. 金屬學報, 2021, 57(5): 613-622.

WANG Yue, WANG Ji-jie, ZHANG Hao, et al. Effects of Heat Treatments on Microstructure and Mechanical Properties of AlSi10Mg Alloy Produced by Selective Laser Melting[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2021, 57(5): 613-622.

[17] VRANCKEN B, THIJS L, KRUTH J P, et al. Heat Treatment of Ti6Al4V Produced by Selective Laser Melting: Microstructure and Mechanical Properties[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2012, 541: 177-185.

[18] HUANG B Y, LI H X, ZHANG Y B, et al. Formability of TC11 Titanium Alloy Fabricated by Direct Laser Deposition[J]. Rare Metal Materials & Engineering, 2013(42): 178-182.

[19] SPIERINGS A B, SCHNEIDER M, EGGENBERGER R. Comparison of Density Measurement Techniques for Additive Manufactured Metallic Parts[J]. Rapid Prototyping Journal, 2011, 17(5): 380-386.

[20] 馮秋娜. 激光熔化沉積成形AlSi10mg合金的工藝與組織性能研究[M]. 南京: 南京航空航天大學, 2017: 54-60.

Feng Qiu-na. Research on Process, Microstructures and Properties of AlSi10Mg Aluminum Alloy Prepared by Laser Melting Deposition[M]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017: 54-60.

Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Deposited by Laser Melting

Zhang Jian-qiao, Sun Xuan,Luo Zhao-wei

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, china)

In order to improve the forming quality of aluminum alloy deposited by laser melting, AlSi10Mg powder with particle size of 45-105 μm was used as material and 4045 aluminum alloy was used as substrate. The aluminum alloy forming experiments were carried out in an argon filled chamber by laser melting and deposition equipment. The hardness and tensile properties of the samples were tested, and the microstructure was analyzed by scanning electron microscope and optical microscope. In the direction of deposition, the microstructure of the sample shows periodic banded patterns, and the lap area shows obvious arc characteristics. The alloy contains a large number of fine dendrites. The alloy phase composition mainly includes Al phase, eutectic Si phase and a small amount of Mg2Si strengthened phase. Along the scanning direction, the average hardness value of the sample is about 130HV. Along the deposition direction, the average hardness value of the sample is about 100HV. The yield strength of the deposited specimen is about 185.75 MPa, and the elongation is about 15.21%. The tensile properties of the deposited samples are obviously better than those of the die-casting samples. The failure mode of the aluminum alloy is ductile fracture. AlSi10Mg has good forming ability during laser melting deposition, and the microstructure strength in deposition state is higher than that in cast state.

laser melting deposition; AlSi10Mg; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.019

TG146.2

A

1674-6457(2022)10-0133-06

2021–10–14

張建巧（1987—），女，碩士，講師，主要研究方向為機械設計。