鋁銅合金粉末激光熔化成形的基礎(chǔ)研究

張洪磊

（蘇州耀國電子有限公司，江蘇 蘇州 215024）

在現(xiàn)代化生產(chǎn)和制造過程中，材料的性能與生產(chǎn)成本是需要相關(guān)企業(yè)重點關(guān)注的問題，尤其在航空航天領(lǐng)域中對于構(gòu)成零件的材料性能和加工工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)也更為嚴格，所以想要在生產(chǎn)過程中有效控制成本就必須要進一步提高工藝水平。3D打印快速成形的工藝是當(dāng)前針對傳統(tǒng)鋁合金生產(chǎn)工藝缺陷問題較為嚴重的一種有效優(yōu)化手段，一方面3D打印快速成形技術(shù)應(yīng)用的材料環(huán)保效益更高，同時新工藝對于材料利用率的大幅度提高還能夠更好的保障相關(guān)零件生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益；另一方面快速成形技術(shù)在生產(chǎn)過程中還能夠更加靈活的調(diào)整工藝參數(shù)要求，有效避免和解決了高性能材料的生產(chǎn)缺陷問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋁銅合金粉末配合3D打印快速成形技術(shù)，能夠更加快速、高效的制造和生產(chǎn)出各方面性能要求更高的合金材料，因此在現(xiàn)代化機械生產(chǎn)和零件加工領(lǐng)域中能夠具有非常好的應(yīng)用效果?？焖俪尚渭夹g(shù)的創(chuàng)新思路源自于工業(yè)生產(chǎn)過程中材料性能要求和生產(chǎn)成本之間的矛盾問題，傳統(tǒng)鑄造方法較低的材料利用率導(dǎo)致了大量生產(chǎn)材料的浪費和資源的流失，而世界上第一臺3D打印機便是針對這類問題在20世紀(jì)80年代橫空出世，隨著計算機技術(shù)的大量普及而獲得了廣闊的發(fā)展前景。

在國外發(fā)達國家中美國和德國是較早應(yīng)用了這種金屬粉末快速成形鑄造方法的國家，針對加工難度較大、力學(xué)性能要求較高的鋁銅合金，嘗試通過調(diào)整金屬粉末的摻入量和占據(jù)比例來盡可能使合金材料的綜合性能達到更高的水平。其中Wong科研團隊提出了利用離子噴涂和覆膜成形的方法，對鋁合金的表面進行精加工來提高其表面力學(xué)綜合性能，這種工藝方法將鋁合金表面硬度顯著的提高了10～20倍。另外還有Kadolkar科研團隊采用的用90%的TiC和10%的Si混合后作為激光快速成形加工材料的工藝等，都能夠有效提高鋁銅合金的表面硬度和耐腐蝕、耐高溫等方面的性能。而國內(nèi)近幾年來也在不斷地尋求合金粉末成形方法來改善合金生產(chǎn)材料利用率低下、成本較高的不良現(xiàn)狀，例如華中科技大學(xué)教授帶領(lǐng)的科研團隊通過SLM技術(shù)（選擇性激光成形）對合金材料制成的零件表面致密度和硬度進行了有效的改善，從而使鋁銅合金材料能夠更好的適用于高性能要求的航空航天設(shè)備和零件制造過程中。

2 激光熔化快速成形技術(shù)的工藝優(yōu)點

鋁合金材料是一種以純鋁材料為基礎(chǔ)，通過加入其它金屬元素強化純鋁的表面性能和力學(xué)性能，是形成的合金材料的可塑性、抗拉強度和耐腐蝕性等，達到零件和設(shè)備生產(chǎn)與制造的要求標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段針對純鋁材料的合金加工強化方法，通常采用加入純銅粉末來提高其耐磨性和強度，但是該工藝的合金生產(chǎn)質(zhì)量和缺陷問題較為嚴重，同時加工生產(chǎn)耗時較長、效率低下。而與之相比，新式的激光快速成形技術(shù)則在成形速度、合金零件生產(chǎn)質(zhì)量方面效果更好，其工藝優(yōu)點主要集中在以下幾個方面。

2.1 生產(chǎn)效率高、零件成形快

傳統(tǒng)的鋁銅合金鑄造方法需要將金屬液體灌注到固定的模具中，再通過冷卻硬化來形成想要的合金零件，但是模板的更換和拆卸會極大地拖慢了鑄造成形加工的效率，同時模板本身的加工精度還會影響到合金零件的質(zhì)量。而激光熔化成形技術(shù)則利用在基板上進行3D打印的方式取代了傳統(tǒng)模板的應(yīng)用，節(jié)省了模板制造、安裝和拆卸等多個步驟，顯著提高了合金零件生產(chǎn)的效率。此外金屬粉末直接通過立體堆疊打印形成的零件在造型完成后，并不需要較長的冷卻時間，因此與傳統(tǒng)鑄造方法相比明顯縮短了從制造加工到生產(chǎn)完成之間的時間，進一步加快了鋁銅合金零件成形的速度。

2.2 有效避免了鑄造缺陷問題

鑄造缺陷問題在傳統(tǒng)的鋁銅合金生產(chǎn)的過程中發(fā)生較為普遍，其產(chǎn)生原因一方面在于鑄造模板本身在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角或其他細節(jié)部位存在著生產(chǎn)缺陷，部分型腔壁厚不均勻和長期使用導(dǎo)致的內(nèi)表面破損與腐蝕等問題會進一步影響到鑄造成形后的合金零件質(zhì)量；另一方面在于金屬液體向模具中傾倒的過程中，由于金屬液溫度會不斷地散失從而導(dǎo)致模具澆筑口部位產(chǎn)生縮松等問題，影響合金零件表面強度與結(jié)構(gòu)完整性。而激光熔化成形技術(shù)則可以直接根據(jù)合金零件各部分的尺寸與參數(shù)要求，利用定點噴涂合金粉末的方法來提高對結(jié)構(gòu)精度的控制效果，不僅僅能夠顯著提高合金零件各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的生產(chǎn)精確度，同時還從根本上避免了鑄模成形過程中常見的一些零件表面形成縮松、氣孔等問題，使鋁銅合金形成了良好的粘接效果，保障了合金零件結(jié)構(gòu)的完整和力學(xué)性能的穩(wěn)定。

2.3 合金零件生產(chǎn)制造成本較低

激光熔化成形技術(shù)所需要的主要生產(chǎn)條件便是合金粉末、3D打印成形設(shè)備和零件的三維實體模型，因此與傳統(tǒng)工藝相比省略了模型、規(guī)模較大的鑄造車間、加熱爐等設(shè)備和成本。生產(chǎn)技術(shù)人員通過將合金零件的三維模型導(dǎo)入到打印設(shè)備中，再根據(jù)生產(chǎn)要求配置好相應(yīng)的合金粉末和調(diào)整設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)即可，因此降低了很大一部分生產(chǎn)成本，使鋁銅合金零件生產(chǎn)企業(yè)能夠獲得更高的經(jīng)濟效益。同時快速成形的生產(chǎn)模式還進一步縮短了零件制造的周期，因此人工勞務(wù)費用、生產(chǎn)車間維護費用等也大大減少，一次成形的高效生產(chǎn)也節(jié)省了返工和重鑄的成本內(nèi)容。

2.4 具有良好的環(huán)保效益

激光熔化成形技術(shù)生產(chǎn)過程中企業(yè)不需要進行大規(guī)模的金屬熔化和加熱等工序，有效降低了合金零件生產(chǎn)與制造消耗的各類資源。同時，合金粉末高精度的噴涂和粘合與傳統(tǒng)鑄造成形方法相比極大提高了材料的利用率，避免了對鋁銅合金的浪費并排放出了更少的污染物，從而使合金零件生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)工作都達到了更高的節(jié)能環(huán)保效益水平。

3 鋁銅合金選擇性激光熔化成形工藝研究

在應(yīng)用激光熔化成形技術(shù)時需要重點關(guān)注的一個環(huán)節(jié)，便是對3D打印快速成形生產(chǎn)設(shè)備的掃描方式進行科學(xué)的選擇，根據(jù)合金零件生產(chǎn)要求所選擇的掃描方式是否科學(xué)，會直接影響到最終成形后零件的質(zhì)量和性能。其中激光功率便是影響快速成形設(shè)備單道掃描線寬的一個重要因素，在設(shè)置激光功率時應(yīng)嚴格按照合金零件生產(chǎn)要求中對表面粗糙度的要求調(diào)整設(shè)備參數(shù)，避免激光功率過大導(dǎo)致純鋁粉末出現(xiàn)過燒現(xiàn)象而降低了合金件表面性能。表1所示不同激光功率對單道掃描線寬和線高的影響。

表1 不同激光功率對掃描線寬和線高的影響

其次，在合金零件打印成形的過程中設(shè)備掃描的速度、合金粉末鋪設(shè)的厚度等因素，對于合金零件最終成形后的性能與質(zhì)量影響也非常關(guān)鍵，因此要在生產(chǎn)過程中嚴格控制好打印成形設(shè)備的各項參數(shù)，下文表2和表3提供了掃描速度與粉末鋪設(shè)厚度的具體影響以供讀者參考。

表2 不同掃描速度對線寬和線高的影響

表3 鋪粉厚度對線寬和線高的影響

4 鋁銅合金激光熔化成形綜合性能分析

針對激光熔化成形后鋁銅合金零件的各方面性能變化問題，通常企業(yè)主要從致密度、硬度和抗拉強度三方面展開研究，并結(jié)合不同設(shè)置參數(shù)下所生產(chǎn)制造出來的合金零件，深入探究其變化規(guī)律來尋求有效控制鋁銅合金性能的方法。例如選擇混合比例為20%的鋁銅合金，經(jīng)實驗測得致密度最高值出現(xiàn)在激光功率75%、掃描速度850mm/s、掃描間距0.07mm時。同理可找出不同混合比例下的最佳致密度參數(shù)配置。鋁銅合金的硬度變化主要受固溶處理時間的影響，經(jīng)試驗測得鋁銅合金試件的硬度隨固溶處理時間變化。從曲線表化趨勢可以看出在熱處理保溫時間為6h后，鋁銅合金標(biāo)準(zhǔn)件的硬度達到峰值。而鋁銅合金抗拉強度的變化則主要受時效時間的影響，抗拉強度峰值為450MPa。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著鋁銅合金激光熔化成形技術(shù)的應(yīng)用，零件生產(chǎn)與制造企業(yè)能夠有效的避免很多傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)過程中存在的合金缺陷問題。

同時這種快速成形的方法還進一步提高了生產(chǎn)的效率與環(huán)保效益，并在保障合金零件良好性能的基礎(chǔ)上有效降低了生產(chǎn)成本，因此這種新技術(shù)必定能夠為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出突出的貢獻。