掃描策略對(duì)激光熔融AlSi10Mg合金制件組織性能的影響

歐笛聲,馮逸凡

(1.廣西科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心,廣西 柳州 545006; 2.廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣西 柳州 545006)

增材制造(AM)是一種先進(jìn)的制造技術(shù),將CAD輔助設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行切片,并使用金屬和聚合物等材料逐層掃描打印出零件[1-2]。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天[3]、醫(yī)療[4]和汽車[5]等領(lǐng)域。其中,選擇性激光熔融(SLM)作為增材制造的一個(gè)重要分支,可以生產(chǎn)出具有良好機(jī)械性能和極低粗糙度的零件,在制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)方面具有極大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。SLM具有較高的冷卻速率(105～106 ℃/s),因此被認(rèn)為是一種快速凝固過(guò)程。在凝固過(guò)程中,它會(huì)誘導(dǎo)材料胞狀生長(zhǎng),甚至形成亞穩(wěn)相和過(guò)飽和固溶體。粉床上的金屬粉末可以重復(fù)利用,極大降低了生產(chǎn)成本,與再生粉相比,新粉具有良好的力學(xué)性能[6]。AlSi10Mg作為選擇性激光熔融常用的合金,具有優(yōu)異的工藝性能、比強(qiáng)度高、密度低、高激光反射率[7]和優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于航空和汽車領(lǐng)域[8]。AlSi10Mg合金中的初生Al基體具有兩種組織形態(tài):極細(xì)的Si纖維共晶組織和胞狀枝晶組織[9]。

工藝參數(shù)對(duì)SLM打印成型過(guò)程至關(guān)重要,不恰當(dāng)?shù)膮?shù)組合會(huì)造成試件的各種缺陷,進(jìn)而影響AlSi10Mg試件的整體性能。SLM工藝參數(shù):激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度,可統(tǒng)一用能量密度進(jìn)行綜合評(píng)判。Hirata[10]等在30.3 J/mm3～55.6 J/mm3能量密度下,使AlSi10Mg合金制件相對(duì)密度大于99%。Theresa Hanemann[11]的研究顯示,對(duì)w(Si)為25%和50%的AlSi10Mg制件,通過(guò)調(diào)整激光功率和掃描速度,可以使制件實(shí)現(xiàn)99%的相對(duì)密度。Chen[12]等在保持1900W激光功率不變的情況下,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低掃描速度可以提高制件的拉伸強(qiáng)度。Maamoun等[13]研究了工藝參數(shù)對(duì)SLM成型AlSi10Mg合金的影響。結(jié)果表明,隨著激光功率的增加,顯微硬度呈線性降低。能量密度增長(zhǎng)也呈現(xiàn)了類似的趨勢(shì),當(dāng)能量密度為27 J/mm3時(shí),最大硬度為103 HV。由于球化現(xiàn)象的影響,能量密度的進(jìn)一步增加會(huì)產(chǎn)生較高的粗糙度[14]。此外,掃描策略也是研究熱點(diǎn)之一,對(duì)AlSi10Mg制件的性能影響同樣具有重要意義。Guo[15]研究了選擇性激光熔化AlSi10Mg合金在單向掃描和島狀掃描策略下的力學(xué)性能,結(jié)果顯示島狀掃描路徑制作的零件有更好的力學(xué)性能。與單向掃描相比,島狀掃描的散熱速度更快,溫度梯度較小,熱量積累較少[16]。Altay A[17]等研究發(fā)現(xiàn),在相同的能量密度下,掃描矢量旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致更寬的融合軌跡和更大的重疊,有利于降低制件的紋理和各向異性。在Beevers[18]等的研究中,與采用輪廓掃描策略相比,未采用輪廓掃描策略制備的AlSi10Mg合金在近表面區(qū)域表現(xiàn)出更高的孔隙率和單位體積孔隙量。

本試驗(yàn)研究了掃描策略、激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度的正交組合對(duì)AlSi10Mg制件的三維形貌、顯微硬度、密度和抗拉強(qiáng)度的影響及不同工藝參數(shù)組合下顯微組織對(duì)制件性能的影響,為SLM成型AlSi10Mg合金零件制備提供工藝參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

氣體霧化呈球形的AlSi10Mg合金粉末,如圖1b所示,平均粒徑為15 μm～53 μm,流動(dòng)性150S,松裝密度1.45 g/cm3,粉末化學(xué)成分見表1。打印設(shè)備為中瑞ISLM280。

圖1 用球形粉末打印試件示意圖

表1 AlSi10Mg粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用5因素,4水平,L16(45)正交試驗(yàn)的因素水平如表2所示,試驗(yàn)方案見表3,掃描策略如圖2所示。打印試件如圖1c所示,拉伸試件主要進(jìn)行三維形貌和拉伸性能測(cè)試,圓柱體試件主要進(jìn)行密度、顯微硬度和金相組織的測(cè)試。使用Mintab21軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和極差分析。

圖2 掃描策略示意圖

表2 L16(45)正交試驗(yàn)因素水平表

表3 L16(45)正交試驗(yàn)表

能量密度計(jì)算公式:

(1)

式中:

ED—能量密度;

P—激光功率;

v—掃描速度;

h—掃描間距;

t—鋪粉厚度。

2 結(jié)果分析

2.1 表面粗糙度

本研究中采用了NPFLEX白光干涉三維形貌測(cè)試系統(tǒng)來(lái)評(píng)估選擇性激光熔融AlSi10Mg試件的形貌特征。試驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置為:速度1×,后掃描5 μm,濾波長(zhǎng)35 μm。表面粗糙度的具體數(shù)值可參見表4。當(dāng)掃描策略為雙向掃描,能量密度41.67 J/mm3時(shí),A7方案打印的試件表面粗糙度最大為4.93 μm;掃描策略為單向掃描,能量密度30 J/mm3時(shí),A10表面粗糙度值最小為3.33 μm。如圖3a所示,A7三維形貌圖中孔洞較少且大部分可被濾波掃描發(fā)現(xiàn),而圖3bA10方案打印的試件孔洞多且大部分孔洞掃描濾波無(wú)法到達(dá),導(dǎo)致平均表面粗糙度值較低。造成這種差異的原因可能是低能量密度下熔池冷卻速率較大,液體壽命較短時(shí),掃描過(guò)程中容易出現(xiàn)熔孔缺失和球化現(xiàn)象[19]。此外,單向掃描重疊率低,導(dǎo)致熔池內(nèi)部溫度較低且潤(rùn)滑性差,不利于形成穩(wěn)定的熔池和光滑的軌跡表面,進(jìn)而導(dǎo)致熔融液體較少無(wú)法完全填補(bǔ)粉末間的空隙,增加了孔隙率。

圖3 A7、A10三維形貌圖

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 顯微硬度

本研究使用HV-1000維氏硬度儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,每個(gè)樣品隨機(jī)選擇了5個(gè)測(cè)試點(diǎn),平均顯微硬度值參見表4。當(dāng)掃描策略單向掃描,能量密度140.63 J/mm3時(shí),A1方案打印的試件的顯微硬度最小為135.84 HV;當(dāng)掃描策略交叉掃描,能量密度66.67 J/mm3時(shí),A13方案打印的試件的顯微硬度最大為231.44 HV。

值得注意的是A13方案采用的是交叉掃描策略,根據(jù)Bhardwa[20]和Thijs[21]等人研究,交叉掃描策略具有重熔作用,增加了掃描過(guò)程中熔池的重疊率,交叉掃描在連續(xù)層間掃描矢量方向的旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致了熱流的旋轉(zhuǎn)和熔池的交替,這樣使得溫度梯度更加均勻,從而獲得細(xì)小的晶粒組織,細(xì)化的微觀組織提高了表面硬度[22]。相比之下,A1方案的掃描策略為單向掃描,掃描重疊率較低,無(wú)法達(dá)到重熔效果。另外,A1方案過(guò)高的能量密度也可能是造成低硬度的原因之一,根據(jù)Maamoun AH[23]等研究發(fā)現(xiàn),AlSi10Mg合金制件的硬度隨著激光功率和能量密度的增大呈線性減小。此外,A1方案高能量密度會(huì)導(dǎo)致熔池內(nèi)溫度過(guò)高,超過(guò)氣化溫度,部分熔體在氣化反沖壓力下脫離熔池飛濺[24],同時(shí)熔池內(nèi)部的金屬蒸氣和等離子體促進(jìn)形成匙孔,如圖4所示。綜上所述,顯微硬度很大程度上受掃描策略的影響,這點(diǎn)與Gouveia R M[25]研究結(jié)果相符。

圖4 A1金相顯微組織

2.3 密度

根據(jù)阿基米德原理進(jìn)行密度測(cè)試,AlSi10Mg合金制件的實(shí)際密度為2.68 g/cm3,試件測(cè)試密度參見表4。當(dāng)掃描策略交叉掃描,能量密度66.67 J/mm3時(shí),A13方案打印的試件的密度最大為2.655 7 g/cm3;當(dāng)掃描策略雙向掃描,能量密度41.67 J/mm3時(shí),A7方案打印的試件的密度最小為2.515 9 g/cm3。

大量研究呈現(xiàn)出密度與能量密度正相關(guān),但在本次研究中觀察到了相反的趨勢(shì),A1方案具有最大能量密度140.63J/mm3,其打印的試件密度應(yīng)該更高,但是經(jīng)過(guò)測(cè)試A1方案打印的試件的密度甚至沒有最小能量密度A4的高,盡管能量密度對(duì)于一般工藝是一個(gè)有用的參數(shù),但也應(yīng)該謹(jǐn)慎對(duì)待,不同的工藝參數(shù)以不同的方式影響熔池的形狀和穩(wěn)定性[26]。從圖5a看出,A7方案打印的試件的孔洞出現(xiàn)在兩熔池之間,由于雙向掃描策略重疊率低且掃描間距過(guò)大,造成相鄰軌跡間粉末融合不良[27-28];而A13方案打印的試件只觀察到了少量的氣孔,雖然氣孔的產(chǎn)生無(wú)法避免,但是采用交叉掃描策略可以有效控制打印過(guò)程中氣孔的數(shù)量。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)采用交叉掃描和雙向單通道,層旋轉(zhuǎn)90°掃描策略的平均密度2.581 25 g/cm3高于采用單向掃描和雙向掃描策略的平均密度2.552 14 g/cm3,這也從側(cè)面印證了具有重熔效果的交叉掃描和雙向單通道,層旋轉(zhuǎn)90°掃描策略使熔池緊密重疊,降低了孔隙率提高了試件的致密度。

圖5 A7、A13方案打印的試件金相顯微組織

2.4 抗拉強(qiáng)度

使用WDW-50D萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī),拉伸速度0.5 mm/min,最大拉力50 kN,試件抗拉強(qiáng)度見表4。當(dāng)采用雙向單通道層旋90°轉(zhuǎn)掃描、能量密度為100 J/mm3時(shí),A14方案打印的試件的抗拉強(qiáng)度最大值為508.06 MPa,伸長(zhǎng)率7.031%;當(dāng)能量密度為12.86 J/mm3時(shí),A4方案打印的試件的抗拉強(qiáng)度最小,為483.94 MPa,伸長(zhǎng)率4.875%。

在相同掃描策略下,低激光功率、高掃描速度、較大的掃描間距和較厚的粉層意味著低激光能量密度,導(dǎo)致襯底和層的熔化不足[29],熔化的金屬會(huì)在界面張力的作用下收縮成球狀[30]。在隨后的打印過(guò)程中,“球化”增加了試樣的孔隙率[31-32]。從圖6中A4和A14方案打印的試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線觀察到,A4方案打印的試件早于A14的拉伸斷裂。這是因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致A4方案打印的試件提前斷裂,通常情況下應(yīng)力集中出現(xiàn)在材料內(nèi)部孔洞等缺陷中,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的拉伸極限時(shí),微裂紋會(huì)在孔洞處形成并逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致試樣的斷裂。

2.5 極差分析

表面粗糙度極差分析見表5,最佳工藝參數(shù)組合為激光功率250 W，掃描速度800 mm/s，掃描間距250 μm,鋪粉厚度20 μm,掃描策略雙向掃描,能量密度62.5 J/mm3。后續(xù)顯微硬度、密度和抗拉強(qiáng)度均采用此方法進(jìn)行分析,結(jié)果顯示:1)顯微硬度最佳工藝參數(shù)組合為激光功率300 W,掃描速度800 mm/s,掃描間距250 μm,鋪粉厚度30 μm,掃描策略雙向單通道層旋90°,能量密度50 J/mm3;2)密度最佳工藝參數(shù)組合為激光功率250 W,掃描速度800 mm/s,掃描間距150 μm,鋪粉厚度50 μm,掃描策略交叉掃描,能量密度41.67J/mm3;3)抗拉強(qiáng)度最佳工藝參數(shù)組合為激光功率400 W,掃描速度1 000 mm/s,掃描間距100 μm,鋪粉厚度20 μm,掃描策略交叉掃描,能量密度200 J/mm3。

表5 表面粗糙度

2.6 方差分析

方差分析采用調(diào)整平方和(adjss)評(píng)判每個(gè)因素對(duì)總體變異的貢獻(xiàn)。對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析見表6～表9所示。

表6 表面粗糙度方差分析

表7 顯微硬度方差分析

通過(guò)上述方差分析中得出:1)激光功率、掃描間距、鋪粉厚度和掃描策略對(duì)形貌粗糙度產(chǎn)生顯著影響,而掃描速度對(duì)結(jié)果的影響較小。2)激光功率和鋪粉厚度對(duì)顯微硬度產(chǎn)生顯著影響,而掃描速度、掃描間距和掃描策略對(duì)結(jié)果的影響較小。3).激光功率和鋪粉厚度對(duì)密度產(chǎn)生顯著影響,而掃描速度、掃描間距和掃描策略對(duì)密度的影響較小。4)激光功率和鋪粉厚度對(duì)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響,而掃描速度、掃描間距和掃描策略對(duì)結(jié)果的影響較小。

3 結(jié) 論

1)表面粗糙度測(cè)試結(jié)果表明,單向掃描和低能量密度增加了試件的孔隙率,拉低了A10方案打印的試件表面粗糙度,這一點(diǎn)在三維形貌圖上得到了驗(yàn)證。為了避免孔洞的產(chǎn)生,可以適當(dāng)提高能量密度和使用具有重熔效果的掃描策略。

2)顯微硬度在很大程度上受掃描策略的影響,能量密度對(duì)顯微硬度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。交叉掃描改善了A13方案打印的試件的表面質(zhì)量,獲得的顯微硬度最大,為231.44 HV,但是在方差分析中掃描策略只有7.83%占比,還需更多研究繼續(xù)驗(yàn)證。

3)在密度測(cè)試中,掃描策略對(duì)密度的影響明顯高于能量密度,采用交叉掃描和雙向單通道,層旋轉(zhuǎn)90°掃描策略的試件,其密度都高于采用單向掃描和雙向掃描的試件,高重疊率促進(jìn)了細(xì)小晶粒的形成,提高了試件的致密化。

4)力學(xué)性能與能量密度和掃描策略重疊率呈正相關(guān)。

5)極差和方差結(jié)果表明,激光功率和鋪粉厚度是影響形貌粗糙度、密度、顯微硬度、抗拉強(qiáng)度的主要因素。其次,掃描策略在形貌粗糙度和密度中的占比顯著提升分別為17.54%和19.17%。