ZL205A金屬粉末選區激光熔化的成形工藝優化研究

饒江華 周子群 梁小文

東華理工大學長江學院 江西 撫州 344000

0 引言

選區激光熔化(Selective Laser Melting，SL M)技術是激光增材制造技術的一種，隨著科學進步與生產需求的增長，在航空航天、醫療等高新領域上得到推廣，是最具發展潛力的增材制造技術之一。

近幾年來，隨著3D打印行業的快速發展，越來越多的高校也逐步加入了選區激光熔化(SL M)設備及材料研發的行業。獲得組織致密、性能優異的零部件是SLM成形的重要目標。因此，針對ZL205A鋁合金粉末，以致密度為優化目標，基于選區激光熔化技術展開成形工藝優化實驗，提出合理的成形工藝方案。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料 實驗所用的材料為ZL205 A鋁合金粉末，合金牌號為ZAl Cu5 MnCd VA，簡稱ZL205A，其中Cu含有4.6～5.3%，Mn含有0.3～0.5%，其余大部分為Al元素。

1.2 實驗設備 實驗采用國內中瑞科技公司研發的新一代SL M－300成型設備，采用IPG公司制造的YLR－500－WC單模摻鐿光纖激光器，波長為1070n m。激光最大功率為500 W，最大掃描速度為5000 mm/s，可成形鋁合金、鈦合金、高溫合金等粉末材料。

2 實驗結果分析

2.1 激光功率對ZL205 A合金粉末成形件致密度的影響 研究了激光功率(300 W、350 W、400 W、450 W)對ZL205 A合金粉末的選區激光熔化成形試樣的致密度影響。在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增大，ZL205 A合金粉末SL M成形試樣的致密度增大。而在激光功率一定的條件下，樣品的致密度隨著掃描速率的變大呈現先增大后減小的趨勢。在激光功率為450 W時，SL M成形試樣的致密度在不同的掃描速率下均為最高，故將ZL205 A合金粉末SL M成形的激光功率定為450 W。

2.2 掃描速度對ZL205A合金粉末成形件致密度的影響 如圖1所示不同掃描速度下SL M成形ZL205 A合金試樣致密度曲線。從圖中可以得出，隨著掃描速度的增大，SL M成形ZL205 A合金試樣的致密度出現先變大后減小的趨勢。當掃描速度小于800 mm/s時，試樣的致密度要低于94%，造成這樣的原因是成形過程中粉末的流動性差，導致鋪粉效果不好，出現了較多的球化缺陷。在激光掃描速度較慢時，鋁合金粉末吸收的能量較多，熔化的液態金屬也較多，在激光沖擊作用和成形室內保護氣體氣流的循壞作用下發生了液態金屬及粉末的飛濺。當有些小的金屬球回落到激光掃描輪廓區時已經凝固，部分顆粒熔化粘結形成團聚，導致了球化現象。形成的球化凸起導致新一層的鋪粉不連續、不平整效果。

2.3 不同掃描間距下ZL205 A合金粉末SL M成形試樣致密度的分析 在其他工藝參數不變，而掃描速度為變量的情況下，研究不同掃描間距對SL M成形ZL205 A合金試樣的致密度影響。

結果如圖2所示，在掃描速率小于800 mm/s的條件下，試樣的致密度維持在93%左右，試樣的致密度不隨著掃描間距的變化而變化。在掃描間距分別為0.05 mm、0.07 mm時，樣品的致密度隨著掃描速度的變化而變化不大的，而在掃描速度為1200 mm/s～2000 mm/s條件下，致密度隨著掃描間距的增大呈現先變大后減小的趨勢。由于掃描速度較低的時候，熔池存在時間較長，導致單道熔池線條更寬。掃描間距為0.11 mm的ZL205 A成形試樣致密度隨掃描速度的增加卻急劇下降。這是因為掃描間距太大，很有可能出現相鄰兩激光線之間銜接不夠好。

圖1 不同掃描速度下ZL205 A合金粉末SL M成形試樣致密度曲線

圖2 不同掃描速度下掃描間距對ZL205 A合金粉末成形試樣致密度的影響

3 總結

在其他工藝參數確定的情況下，試樣致密度隨著激光功率的增加而增大。當激光掃描速度為1200～1400mm/s時，不同的激光功率下試樣的致密度都是最高。掃描速度對成形質量有著至關重要的影響，在一定的掃描速度范圍內，試樣致密度是先增后減的規律，當掃描速度大于2000 mm/s時，SL M試樣的致密度下降。這是因為掃描速度太快，在SLM過程中激光與合金粉末的作用時間太短了，無法將ZL205 A合金粉完全熔化，在熔池中還有未完全熔化的粉末顆粒，產生了很多不均勻的孔洞。在較小的掃描間距范圍內，試樣的致密度會比較好，但是在其他工藝參數一定的范圍內，掃描間距對成形質量變化不大。綜合以上分析，最終確定了ZL205 A合金粉末SL M成形過程中較好的工藝參數為：激光功率450 W，掃描速度1200 mm/s～1400 mm/s，掃描間距0.09 mm。