激光熔化沉積AlSi10Mg成形特性及力學(xué)性能

李俐群，曲勁宇，王憲

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激光熔化沉積AlSi10Mg成形特性及力學(xué)性能

李俐群，曲勁宇，王憲

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

研究激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金的成形特性及力學(xué)性能。以顆粒度45~105 μm的AlSi10Mg粉末為材料，6061鋁合金為基板，利用光纖激光器在充氬艙內(nèi)分別進(jìn)行單層單道、豎直薄壁單墻體與傾斜薄壁墻體的成形試驗。測試單墻體的抗拉強度與延伸率，并通過掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡對微觀組織形貌進(jìn)行分析。單層單道沉積層高度與激光掃描速度負(fù)相關(guān)，與送粉速度成線性正相關(guān)；而沉積層寬度與掃描速度負(fù)相關(guān)，與激光功率正相關(guān)。沉積單墻體時，沉積前10層最不穩(wěn)定，墻體厚度低于后續(xù)層的厚度。為了使沉積過程穩(wěn)定，墻體不塌陷，通過激光功率在前20層左右逐層遞減，成功制備出250層（高10 cm）以上的單墻體。工藝選取合適時，AlSi10Mg具有良好的成形能力，激光頭角度保持豎直不變，墻體傾角60°以下可以穩(wěn)定沉積。制備沉積態(tài)AlSi10Mg氣孔率約3%，抗拉強度250 MPa左右，延伸率5%以上，抗拉強度高于成分相似的ZL104鑄件25%。微觀組織內(nèi)Al-Si共晶細(xì)小，沒有針片狀共晶組織，并且組織沿沉積方向呈現(xiàn)周期性變化。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。優(yōu)化后的工藝可以穩(wěn)定沉積制備下圓上方的變截面薄壁樣件。

AlSi10Mg；激光熔化沉積；增材制造；成形；組織；力學(xué)性能

激光熔化沉積技術(shù)是基于激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來的一種金屬增材制造技術(shù)，可用于金屬材料的增材制造、修復(fù)和熔覆，在工業(yè)界中有非常廣泛的應(yīng)用[1]。采用激光熔化沉積技術(shù)進(jìn)行不銹鋼、鈦合金、鎳合金的增材制造在國內(nèi)外都有較多的研究[2-5]，但是對于鋁合金材料，激光熔化沉積制造技術(shù)的研究、應(yīng)用都寥寥無幾。相比之下，選區(qū)激光熔化技術(shù)在Al-Si系鋁合金的增材制造上已經(jīng)非常成熟，研究重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移至諸如7系鋁合金等高強鋁合金的制備中[6-8]。主要是因為鋁合金粉末流動性差，對激光具有較高的反射，且鋁合金沉積過程易形成氣孔、夾渣甚至氧化膜等缺陷，嚴(yán)重影響了粉末向熔池輸入的穩(wěn)定性。此外，鋁合金熔池的黏度較低、材料導(dǎo)熱性好，沉積過程很容易出現(xiàn)下塌。因此激光熔化沉積鋁合金的成形過程較難控制。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)對激光熔化沉積Al-Si系鋁合金的組織及各部分均勻性做了一定的研究[9-11]，發(fā)現(xiàn)激光熔化沉積方法制備的試件的組織沿著沉積方向具有一定的周期性，每個周期內(nèi)的組織并不均勻，沉積試件靠近基板部分、中間部分的組織與頂端部分的組織也都有一定的區(qū)別。關(guān)于激光熔化沉積Al-Si系鋁合金沉積態(tài)的力學(xué)性能的研究[12-14]中，學(xué)者間得出的結(jié)果差異較大，抗拉強度最低低至125 MPa，最高高達(dá)356 MPa，波動如此大的原因尚不明確。

作為航空航天的常用材料，鋁合金激光增材制造與修復(fù)技術(shù)將具有重要的戰(zhàn)略意義。本文以AlSi10Mg鋁合金為材料，采用同軸激光送粉方式進(jìn)行鋁合金材料激光熔化沉積特性的試驗研究，并對其激光熔化沉積的成形能力及力學(xué)性能進(jìn)行分析，為鋁合金激光熔化沉積技術(shù)的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)與試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗

試驗材料為AlSi10Mg粉末，顆粒粒度在45~ 105 μm，主要的合金元素為Si（9.0%~11.0%）和Mg（0.25%~0.45%）。該粉末的具體成分在表1中給出，粉末的微觀形貌如圖1所示。沉積基板選用15 mm厚的6061鋁合金，為去除表面氧化膜，沉積前對基板進(jìn)行化學(xué)清洗。

表1 AlSi10Mg鋁合金化學(xué)成分

Tab.1 Composition of AlSi10Mg alloy wt%

圖1 AlSi10Mg粉末微觀照片

試驗系統(tǒng)包括IPG公司的YLR-5000型5 kW光纖激光器、KUKA機(jī)器人，GTV公司的MF-PF2/2雙桶送粉器。為減少氧化，保證成形質(zhì)量，全部試驗在充氬艙內(nèi)進(jìn)行。

在顯微硬度分析中，使用HVS-1000Z型顯微硬度計，載荷200 g，加載時間為10 s。拉伸性能測試在單墻體樣件上沿沉積方向取樣，拉伸樣件尺寸如圖2所示，每個數(shù)據(jù)取3個拉伸件驗證。采用蔡司場發(fā)射掃描電鏡Merlin Comact對斷口進(jìn)行觀察。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果及分析

2.1 單道沉積的成形特性

通過建立單道沉積工藝參數(shù)與沉積層幾何尺寸的關(guān)系，可為后面進(jìn)行連續(xù)沉積的單墻體樣件形狀控制提供一定的試驗指導(dǎo)。在單層單道的成形控制中，最主要要控制的3個要素是單道的寬度、高度以及表面粗糙度。這3個要素均與沉積過程中熔池的形態(tài)及熔池和熔池與粉末的交互作用相關(guān)。影響熔池形態(tài)的最主要工藝參數(shù)是激光功率和激光掃描速度，而影響熔池與粉末交互作用最相關(guān)要素除了前兩個之外，還有送粉速度。

在滿足沉積單道表面光滑的前提下，單道寬度、高度與送粉速度的關(guān)系如圖3所示。在2.5~5.5 g/min的送粉速度、900~1200 W激光功率與0.6~1.5 m/min掃描速度下，單道沉積層的高度范圍一般在0.2~ 0.8 mm、寬度在0.8~1.4 mm之間變化。可以看出，單道沉積層高度與送粉速度幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系，但是單道沉積層寬度卻幾乎不受送粉速度的影響，這是因為沉積層寬度與熔池尺寸的關(guān)系更為密切，而熔池的尺寸又主要取決于激光的熱輸入，而非送粉量。所以改變沉積層的寬度一般是通過調(diào)節(jié)激光功率來實現(xiàn)的。

圖4給出了掃描速度對單道沉積層高度、寬度的影響規(guī)律。可以看出，速度變化對沉積效率與層高的影響還是較明顯的，速度從0.6 m/min增加到1.5 m/min，其熔覆層高度減小了約3倍。隨著激光掃描速度的增大，熔池傾向于寬度變小，因此單道的寬度隨掃描速度增大而線性的減小；同時，隨著激光掃描速度的增大，熔池的移動速度增大，雖然單位時間內(nèi)粉末進(jìn)入熔池的數(shù)量不變（單位時間內(nèi)沉積的體積是基本固定的），但是沉積的長度變長，進(jìn)而導(dǎo)致單道的高度減小。

圖3 送粉速度對沉積高度與寬度的影響

圖4 激光掃描速度對沉積高度與寬度的影響

2.2 薄壁單墻體的成形特性

薄壁單墻體的成形主要難點在于熱輸入的積累以及散熱條件的變化。在沉積前10層左右時，同時存在著沉積層與基板間的熱傳導(dǎo)散熱和沉積層與氣體環(huán)境的熱對流散熱。而在10層以上時，由于距離基板較遠(yuǎn)且有較大的熱積累，熱傳導(dǎo)能力減弱，散熱主要依賴于熱對流。因此，要保持熔池尺寸的穩(wěn)定性，沉積薄壁單墻體的激光功率要隨層高的增加逐漸減小。同時還發(fā)現(xiàn)，只要沉積的單墻體可以穩(wěn)定沉積2 cm，則該工藝便可以一直保持穩(wěn)定沉積直至結(jié)束；如果在沉積不足2 cm時，最頂層沉積層出現(xiàn)了波浪形塌陷且未自行愈合，則沉積過程必定失敗。

最終，試驗采取激光功率1200 W、掃描速度1.2 m/min、送粉速度3.5 g/min的單道沉積工藝參數(shù)完成前5層的沉積，并將第6層到第10層的激光功率降低至1100 W，第10層到第20層的激光功率降低至1025 W，第20層之后的激光功率降低至950 W，最終制備了穩(wěn)定生長250層、60 mm×100 mm×1.7 mm的薄壁墻體（如圖5a所示），墻體的截面圖如圖5b所示。使用Matlab軟件對墻體截面組織圖片進(jìn)行濾波及二值化處理，最后計算得到墻體的氣孔率在3%以下。

在激光頭垂直于基板不變的前提下，試驗調(diào)節(jié)工藝分別對薄壁墻體傾斜30°、45°、60°以及70°進(jìn)行沉積，如圖6所示。結(jié)果表明，只有傾角70°時沉積失敗；傾角為30°和45°時，薄壁墻體可以穩(wěn)定沉積3 cm以上；而傾角為60°時，沉積的墻體兩側(cè)偶爾出現(xiàn)失穩(wěn)塌陷，而中間部分可以穩(wěn)定沉積。由此可見，雖然AlSi10Mg合金液態(tài)時流動性很好，但是在傾斜墻體沉積過程中，傾角小于60°時，在AlSi10Mg合金液體表面張力及氧化膜的聯(lián)合作用下，熔池并沒有全部塌陷，仍維持著與非傾斜墻體類似的熔池形貌。因此可以得出，AlSi10Mg對于傾斜的墻體也有優(yōu)秀的成形能力。

圖5 激光熔化沉積的薄壁單墻體樣件

圖6 傾斜墻體的成形效果

2.3 沉積件的微觀組織特征與力學(xué)性能

沿沉積方向測量了AlSi10Mg激光沉積樣件的顯微硬度，其測量位置如圖7中框選所示，測試的第一點位于靠近基體沉積的第一層的沉積高度中間處，沿著沉積層高度方向向上，每隔1 mm測試一點，測量結(jié)果見圖8。測試結(jié)果顯示，成形件的硬度在70~ 90HV之間波動，且基體附近硬度變化出現(xiàn)了較大波動，當(dāng)組織穩(wěn)定后，硬度基本在75~85HV之間小幅度波動，平均硬度值為78.71HV。之所以沉積層前5 mm硬度波動較大，主要由兩方面引起：首先是散熱條件變化時，熱傳導(dǎo)為主導(dǎo)變?yōu)闊釋α鳛橹鲗?dǎo)，導(dǎo)致凝固速率不穩(wěn)定；其次是因為為了沉積成形穩(wěn)定，激光功率不斷變化，也使得熔池凝固速率不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致硬度沿沉積方向波動。

表2給出了沉積的單墻體樣件拉伸性能，拉伸試樣垂直于沉積方向取樣。因為AlSi10Mg為粉末牌號，國標(biāo)中沒有與之對應(yīng)的鑄件牌號，所以選取化學(xué)成分相似的國標(biāo)ZL104和美標(biāo)A360的力學(xué)性能與之對比。

圖7 顯微硬度測試位置

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，本研究制備的AlSi10Mg明顯優(yōu)于ZL104，延伸率達(dá)到其3倍以上。并達(dá)到A360合金強度的80%以上。現(xiàn)有的關(guān)于AlSi10Mg沉積態(tài)強度的文獻(xiàn)較少，強度差異也非常大，本試驗的強度優(yōu)于Chen等[12]學(xué)者制備的試件和丁瑩等學(xué)者[14]使用CO2激光器制備的沉積態(tài)試件，但是低于丁瑩等使用YAG激光器制備的沉積態(tài)試件。原因推測為本試驗的沉積件氣孔率較大所致（沉積試件的氣孔率在3%左右）。圖9所示為沉積件的斷口形貌，可以觀察到氣孔對斷裂部位產(chǎn)生了影響。

圖8 沉積態(tài)AlSi10Mg顯微硬度

表2 AlSi10Mg激光沉積樣件與ZL104鑄造鋁合金力學(xué)性能

Tab.2 Mechanical properties of laser deposited AlSi10Mg samples and ZL104 casted alloy

圖9 沉積態(tài)試件斷口形貌

沉積樣件的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。由圖10a可以看出，沉積態(tài)的組織具有一定的周期性，這種組織的形成與沉積過程中每層的重熔有很大的關(guān)系。圖10b中亮白色的區(qū)域主要為Al-Si共晶，灰色區(qū)域為α-Al。重熔過程中，熔池下方未熔化組織在熱循環(huán)的作用下，形態(tài)發(fā)生改變。這種熱處理使得組織中的Al-Si共晶生長，且變得粗大，所以每層沉積層下方的這部分區(qū)域亮白色增多。

由于在金屬型鑄態(tài)AlSi10Mg合金中，共晶Si因為Mg、Fe等其他元素的影響，通常呈針片狀，這種形貌下共晶組織對材料的韌性影響很大，所以鑄態(tài)的AlSi10Mg的延伸率一般較低。而在本試驗沉積態(tài)的AlSi10Mg合金中，Al-Si共晶的形貌得到了很好的改善（圖10a）。組織中沒有針片狀共晶，而是更為細(xì)小的顆粒狀（圖10b），進(jìn)而降低了Al-Si共晶對基體的撕裂作用，這種形貌提升了試件的強度與塑性，因此沉積件的塑性相對于ZL104提升了3倍以上。

圖10 沉積態(tài)AlSi10Mg微觀組織

2.4 變截面薄壁樣件的制備

采用前文介紹的逐層遞減激光功率的工藝方法，使用自主研發(fā)的基于Open CASCADE Technology的激光熔化沉積CAM軟件，制備了圖11所示的變截面薄壁樣件，模型中變截面處的傾角（最大處）小于45°。最終沉積的AlSi10Mg合金樣件如圖11c所示，樣件壁厚2.4 mm，沉積過程穩(wěn)定，表面質(zhì)量較好。

圖11 激光熔化沉積制備的變截面薄壁樣件

3 結(jié)論

1）單層單道的激光熔化沉積層寬度主要受掃描速度、激光功率的影響，沉積高度主要受掃描速度和送粉速度的影響。

2）激光熔化沉積薄壁單墻體時，前20層采用激光功率遞減的工藝可以實現(xiàn)尺寸的穩(wěn)定控制，制備的60 mm×100 mm×1.7 mm垂直單強體樣件，其氣孔率低于3%。同時可以在不改變激光頭角度情況下，實現(xiàn)60°以內(nèi)薄壁墻體的成形；而傾斜角度60°及以上時，沉積過程會失穩(wěn)而造成沉積失敗。

3）激光熔化沉積的AlSi10Mg顯微硬度為78.71HV，拉伸強度可以達(dá)到250 MPa，延伸率5%以上，相比于化學(xué)成分近似的鑄造態(tài)ZL104，強度和塑性均有大幅提高。試件斷裂呈韌性斷裂特征，沉積態(tài)組織中的過固溶的α-Al與細(xì)小顆粒狀的Al-Si對沉積態(tài)試件的強度與韌性的增強起主要作用。

4）根據(jù)薄壁墻體制備工藝與原理的指導(dǎo)，成功制備出下圓上方的變截面薄壁樣件。

[1] 王華明, 張述泉, 王向明. 大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)(邀請論文)[J]. 中國激光, 2009, 36(12): 3204-3209. WANG Hua-ming, ZHANG Shu-quan, WANG Xiang- ming. progress and challenges of laser direct manufacturing of large titanium structural components(invited paper) [J]. Chinese journal of lasers, 2009, 36(12): 3204-3209.

[2] 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(xué)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.

[3] 常帥. IN718高溫合金光纖激光增材制造技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013. CHANG Shuai. Research on fiber laser additive manufacturing technology of IN718 superalloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

[4] 黃衛(wèi)東, 林鑫. 激光立體成形高性能金屬零件研究進(jìn)展[J]. 中國材料進(jìn)展, 2010, 29(6): 12-27. HUANG Wei-dong, LIN Xin. Research progress in laser solid forming of high performance metallic component[J]. Materials China, 2010, 29(6): 12-27.

[5] 蒲以松, 王寶奇, 張連貴. 金屬3D打印技術(shù)的研究[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(3): 78-84. PU Yi-song, WANG Bao-qi, ZHANG Lian-gui. Metal 3D printing technology[J]. Surface technology. 2018, 47(3): 78-84.

[6] DING Y, MUNIZ-LERMA J, TRASK M, et al. Micro-structure and mechanical property considerations in additive manufacturing of aluminum alloys[J]. MRS bull-etin, 2017, 41(10): 745-751.

[7] 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 & engineer-ing A, 2016, 667: 139-146.

[8] TODD I. Metallurgy: No more tears for metal 3D prin-ting[J]. Nature, 2017, 549(7672): 342-343.

[9] DINDA G P, DASGUPTA A K, BHATTACHARYA S, et al. Microstructural characterization of laser-deposited Al 4047 alloy[J]. Metallurgical & materials transactions A, 2013, 44(5): 2233-2242.

[10] DINDA G P, DASGUPTA A K, MAZUMDER J. Evolu-tion of microstructure in laser deposited Al- 11.28%Si alloy [J]. Surface & coatings technology, 2012, 206(8): 2152-2160.

[11] 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.

[12] CHEN B, YAO Y Z, SONG X G, et al. Microstructure and mechanical properties of additive manufacturing AlSi10Mg alloy using direct metal deposition[J]. Ferro-electrics, 2018, 523(1): 153-166.

[13] SINGH A, RAMAKRISHNAN A, DINDA G. Fabrication of Al-11.2Si components by direct laser metal deposition for automotive applications[J]. Journal of welding and joining. 2017, 35(4): 67-73.

[14] 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(xué)性能[J]. 中國表面工程, 2018, 31(4): 52-60. DING Ying, YANG Hai ou, BAI Jing, et al. Micro-stru-cture and mechanical property of AlSi10Mg alloy prepared by laser solid forming[J]. China surface engi-neer-ing, 2018, 31(4): 52-60.

[15] GB/T 1173—2013, 鑄造鋁合金[S]. GB/T 1173—2013, Casting aluminum alloy[S].

[16] ASTM B85/B85M—14, ASTM committee B07 on light metal and alloy. Standard specification for aluminum- alloy die casting[S].

Formability and Mechanical Property of Laser Metal Deposited AlSi10Mg Alloy

,,

(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The work aims to study the formability and mechanical property of laser metal deposited AlSi10Mg alloy. AlSi10Mg powder with size ranging from 45 to 105 μm was utilized as the material and 6061 aluminum alloy was used as the substrate. Single-layer cladding, thin walls and inclined walls were manufactured with fiber laser in argon chamber to test the formability. The tensile strength and elongation of the walls were tested. The microstructure was analyzed with optical microscope and SEM. There was a positive correlation between the height of single layer and powder feeding speed, but a negative correlation with the scanning speed. Further, the same correlation also existed between the width of single layer and laser power and between the width and the scanning speed. When single-layer wall was deposited, the first 10 layers were not stable. The thickness of wall was thinner than subsequent layers. For the sake of improving the stability and preventing from collapse of walls, laser power should decline gradually in the first 20 layers. With this method, a wall more than 250 layers was made steadily and successfully. AlSi10Mg had good formability when process parameters were selected properly. Inclined walls could be deposited even if the wall had tilted to 60 degree. The porosity of the walls was nearly 3%. The tensile strength was approximately 250 MPa and the elongation was about 5%. The tensile strength was 25% higher than that of ZL104 as-casted aluminum alloy. The microstructure periodically varied along the deposition direction. The eutectic was small and no needle-like eutectic was found. The AlSi10Mg has good formability in laser metal deposition process. The microstructure strength of as-deposited samples is better than as-casted alloy. Finally, a variable cross-section thin-walled sample is deposited with optimized processing parameters.

AlSi10Mg; laser metal deposition; additive manufacturing; formability; microstructure; mechanical property

2018-11-08；

2019-02-12

V261.8

A

1001-3660(2019)06-0332-06

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.06.040

2018-11-08；

2019-02-12

李俐群（1970—），女，博士，教授，主要研究方向為激光加工。郵箱：liliqun@hit.edu.cn

LL Li-qun (1970—)，F(xiàn)emale, Doctor, Professor, Research focus: laser processing. E-mail: liliqun@hit.edu.cn