選區激光熔化成形鋁合金的主要缺陷及調控方法

張雙雷,王建宏,李曉峰,丁 芳,楊玉榮,閆 浩,張錦芳,劉 斌,白培康

(中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051)

1 前 言

鋁合金具有質量輕、強度高、導熱性能和耐腐蝕性能優異等特點，是實現結構輕量化的首選材料，在航空航天、海洋工程和汽車制造等領域具有廣泛的應用前景和研究價值[1-3]。傳統鋁合金加工制造主要有鑄造和鍛造等手段，但隨著產品水平不斷提高，復雜精密結構鋁合金零件對制造技術有了更高要求，不僅要求其快速高效，而且還需具有隨設計變化而變化的快速響應能力[4]。然而，傳統加工技術難以滿足以上要求，故開發新型鋁合金制造技術成為當今研究熱點之一。

選區激光熔化(selective laser melting，SLM)技術是目前金屬增材制造應用最為廣泛的高精度成形技術之一，是通過激光熱能選擇性地熔化金屬粉末然后逐層精確成形[5]。理論上，SLM技術能成形任意復雜形狀，能解放航天器結構工程師的設計理念，使其在輕量化、功能化、一體化結構設計等方面拓展思路，大膽設計各種新概念結構[6]。

目前,鋁合金SLM成形仍面臨較大挑戰：一方面，鋁合金的高熱導率、高反射率和低激光吸收率[7]，使其在SLM成形過程中激光能量極易沿著基板傳遞消耗，粉末未被完全熔化，且在固液轉變過程中成形件內部出現明顯的收縮變形、積聚了較大的熱應力，從而造成變形甚至開裂[8]；另一方面，SLM成形過程中能量的快速傳遞導致熔池溫度降低，熔體粘度增大、流動性降低，難以有效潤濕基體材料，致使成形件產生球化效應及內部孔隙、熱裂紋等缺陷[9]。此外，SLM技術特有的快速熔融冷卻和反復重熔，極易使成形件內部產生較大的殘余應力。綜上，SLM成形鋁合金的組織性能難以控制，是目前亟待解決的關鍵問題。

通過調研SLM成形鋁合金的研究進展，本文總結了SLM成形鋁合金的主要缺陷類型，從工藝優化和微合金化層面闡述了缺陷調控方法，期望為SLM成形鋁合金的研究及應用提供一定的參考。

2 SLM成形鋁合金的主要缺陷類型

鋁合金在SLM成形過程中會產生各種類型的缺陷，如熱裂紋、孔隙、殘余應力、滾球、翹曲、金屬粉末飛濺和晶體織構等[10-12]。結合目前研究現狀，排除相對易解決的缺陷類型，本文主要闡述鋁合金在SLM成形過程中面臨的主要挑戰：熱裂紋和孔隙。

2.1 熱裂紋形成機理

根據產生機理，熱裂紋可分為凝固裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋和失塑裂紋。鋁合金在SLM成形過程中產生的熱裂紋以凝固裂紋為主，由于鋁合金結晶溫度區間較寬，在熔池凝固最后階段，殘留液膜導致熱裂紋在糊狀區域中的晶體之間產生[13]。然而，液化裂紋的產生則歸因于可熱處理合金中存在低熔點的共晶相[14]，但這些共晶相會在熱循環的峰值溫度下重新熔化[15]。因此，在鋁合金SLM成形件中更多的是凝固裂紋。

SLM成形過程中，不均勻的熱分布導致凝固結構的熱膨脹和收縮(圖1)[10]，造成了成形件內部殘余應力的聚集[16]。當成形件內部應力超過其屈服強度時，則造成裂紋的形成或使成形件發生變形、破裂和脫層，故這種殘余應力是SLM成形件中裂紋的主要形成機制[17]。

圖1 SLM成形鋁合金中的熱裂紋[10]Fig.1 Hot cracks generated in SLM-ed aluminum alloy[10]

2.2 孔隙形成機理

在SLM成形過程中，孔隙的產生機制有兩種：第一種是SLM成形工藝導致的，低激光能量密度下孔隙類型以鎖眼孔為主[18]，高激光能量密度下孔隙類型以冶金孔為主[19]。Aboulkhair等[20]在AlSi10Mg合金SLM成形時發現，冶金孔是高激光能量密度下元素蒸發、氣體逃逸和熔池捕獲氣體產生的；鎖眼孔是由金屬粉末快速凝固而沒有完全填充間隙所致，且其數量隨掃描速度的增加而增加。第二種是鋁合金粉末表面天然存在一層氧化膜，在SLM成形過程中，氧化膜的存在增加了激光穿透粉末表面的難度，降低了粉末固結，增加了熱裂紋、球化、孔隙等缺陷形成的概率。圖2顯示了鋁合金熔體在SLM成形過程中的馬蘭戈尼對流行為[21]。在馬蘭戈尼力作用下，攪拌破壞了熔池底部的氧化膜，將夾雜在氧化膜之間的未熔化金屬顆粒釋放出來，使其重新固結，但熔池邊界的氧化膜固化并捕獲了一些未燒結顆粒，從而形成了不規則的鎖眼孔。

圖2 SLM成形過程中，鋁合金熔池的馬蘭戈尼對流行為(a)和熔池中氧化物的破壞與固化(b)[21]Fig.2 Marangoni convection behavior (a), oxide disruption and solidification (b) in aluminum alloy melt pool during SLM forming process[21]

3 SLM成形鋁合金的缺陷調控方法

3.1 工藝優化

SLM工藝參數主要包括激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度、加工氣氛等，這些參數對SLM成形件的微觀組織和性能有至關重要的影響，很多冶金缺陷(滾球、氣孔、熱裂紋等)皆可通過調整工藝參數來控制。

3.1.1 激光能量密度

激光功率是激光束單位時間內所釋放的能量，掃描速度是激光束掃描移動的快慢。在研究激光功率和掃描速度對SLM成形件組織和性能的影響時，通常用“激光能量密度”進行表示，即單位體積內激光束提供的能量。Zhang等[22]通過SLM技術成形Al-Cu-Mg合金時發現了激光能量密度與合金組織性能的關系，即合金的相對密度隨激光能量密度的增加而增加。當激光能量密度為340 J/mm3時，成功制備的Al-4.24Cu-1.97Mg-0.56Mn成形件密度達到了99.5%，且具有良好的力學性能(極限抗拉強度為393 MPa，屈服強度為253 MPa)。Bi等[23]系統研究了激光能量密度對Al-5.8Zn-2.5Mg-0.4Sc-0.25Zr合金微觀組織和力學性能的影響。隨著激光能量密度的增加，合金致密度先增加后降低，當激光能量密度為72.9 J/mm3時，制備的合金致密度最大(99.2%)。此時，在合金中未形成熱裂紋，其晶粒尺寸相較于低能量密度下獲得的晶粒尺寸顯著減小。當激光能量密度太小時，合金粉末吸收能量不足，粉末未完全熔化，凝固后期未熔化粉末抵抗收縮產生了大的空腔裂紋；而當激光能量密度太高時，則會引起金屬粉末氣化，易形成孔洞。

在SLM成形過程中，熔池的熔化模式對成形件的組織形貌影響巨大[24]。Qi等[24]研究了不同熔化模式對SLM成形7075鋁合金的影響。隨著掃描速度的增加，熔池的熔化模式依次由鎖孔模式(圖3a)、過渡模式(圖3b和3c)轉變為傳導模式(圖3d)。鎖孔模式下獲得的晶粒小且不規則，阻礙了裂紋的形成與擴展，故在該模式下合金的裂紋敏感性最低、熱裂紋最少。

圖3 不同掃描速度下SLM成形7075鋁合金的熔池形狀的演變[24]：(a)100 mm·s-1，(b)250 mm·s-1，(c)850 mm·s-1，(d)900 mm·s-1Fig.3 Evolution of melt pool shape for SLM-ed Al7075 alloy at different scanning speeds[24]: (a) 100 mm·s-1, (b) 250 mm·s-1, (c) 850 mm·s-1, (d) 900 mm·s-1

3.1.2 鋪粉厚度

鋪粉厚度的選擇受粉末平均粒徑和燒結過程中收縮情況的影響[25]。Aboulkhair等[26]研究了鋪粉厚度對SLM成形AlSi10Mg合金微觀組織和力學性能的影響。當鋪粉厚度過大時，激光能量無法穿透粉末床，粉末底部不能完全熔化，層與層之間發生脫節，從而導致成形件的冶金結合變差、孔隙增多；而當鋪粉厚度過小時，切片層過多，影響加工效率的同時使單位體積粉末床能量過高，熔池活躍，易產生球化現象。因此，適當的鋪粉厚度需滿足兩個條件：形成連續單道和相鄰層間冶金結合良好，通常選擇30～60 μm的鋪粉厚度較為合適。

3.1.3 掃描策略與掃描間距

SLM技術特有的快速熔融冷卻使得鋁合金成形件內部產生極大的殘余應力，當殘余應力超過材料屈服強度時，易在材料內部形成熱裂紋。改變掃描策略可極大減少殘余應力的積聚，從而抑制熱裂紋的產生，同時還可以對成形件的微觀組織進行調控。Suryawanshi等[27]在Al-12Si合金SLM成形時發現，旋轉掃描方向可以減少重新熔化的區域，有助于保留初次凝固熔池中形成的隨機取向等軸晶粒結構，減少殘余內應力的疊加，避免熱裂紋產生。Thijs等[28]使用雙次高掃描速度策略制備了具有極細微結構和可控織構的AlSi10Mg成形件，其相對密度達99.5%。Aboulkhair等[20]通過改變掃描策略大大降低了SLM成形AlSi10Mg合金的孔隙率。不同掃描策略和掃描速度組合下制備的AlSi10Mg成形件的微觀形貌如圖4所示。當掃描速度為500 mm/s時，采用預燒結掃描策略制備的AlSi10Mg成形件的孔隙率最低，相對密度達到99.82%，其孔隙率較未預燒結試樣降低了90%。在SLM成形過程中，AlSi10Mg合金的孔隙率隨掃描間距的增加而增加。當掃描間距過小時，粉末被反復重熔，冶金孔出現的概率增加；當掃描間距過大時，熔道之間沒有重疊而形成間隙。為獲得合理的熔池搭接，掃描間距應低于光斑直徑，合理范圍為70～110 μm。

圖4 不同掃描策略和掃描速度組合下制備的AlSi10Mg合金的微觀形貌[20]Fig.4 Microstructures of AlSi10Mg alloys prepared under different scan strategies and scan speeds[20]

3.1.4 加工氣氛

鋁合金極易氧化，激光熔化鋁合金顆粒時會在其表面形成氧化膜，使熔融鋁合金表面鈍化，增加激光穿透粉末表面的難度，引起熱裂紋、球化、孔隙等缺陷的產生，從而降低成形件的力學性能。Liu等[29]在Al-12Si合金SLM成形過程中，使用Ar作為保護氣氛，制得的成形件表面質量最高、缺陷較少，N2、He保護氣氛下制得的成形件次之。Dai等[30]通過數值模擬研究了AlSi10Mg合金SLM成形過程中保護氣氛對熔池冶金行為和表面形態的影響，圖5顯示了在He、Ar和N2保護氣氛下金屬粉末蒸發速度場對熔池表面形態的影響結果。當He作為保護氣氛時，熔池表面形成了不均勻反沖力，導致熔池表面形態較差，從而在堆積過程中形成孔隙，如圖5a所示；當Ar作為保護氣氛時，材料蒸發矢量方向朝上，在熔池表面施加了均勻反沖壓力，故熔池表面細而平坦，如圖5b所示；N2氣氛有益于AlN的形成[31]，當N2作為保護氣氛時，熔池在材料蒸發矢量方向受到了AlN的阻擋，從而形成了不均勻的山丘型表面形態(圖5c)。

圖5 在不同加工氣氛中AlSi10Mg合金粉末蒸發速度場對熔池表面形態的影響機制示意圖[30]：(a)He，(b)Ar，(c)N2Fig.5 Schematics of effect mechanisms of the vaporization velocity field to AlSi10Mg alloy powder on the surface morphology of melt pool[30]: (a) He, (b) Ar, (c) N2

總體而言，SLM技術特有的快速熔融冷卻產生的殘余應力是工藝層面缺陷產生的主要原因，因此減少殘余應力積聚是調控缺陷的手段之一。適當的激光能量密度、掃描策略、鋪粉厚度和掃描間距均可降低殘余應力的聚集，此外也可通過基板預熱降低殘余應力的聚集，從而降低成形件缺陷的形成。然而，僅靠工藝參數優化是難以達到完全消除缺陷的目的，還需要借助微合金化等手段進行調控。

3.2 微合金化

部分牌號鋁合金具有寬的結晶溫度區間，故其會因被困在蜂窩狀或樹突狀晶粒之間的熔體的凝固收縮產生空腔和熱裂紋。通過添加合金元素進行微合金化以降低鋁合金結晶溫度區間寬度并細化晶粒是調控缺陷的重要方法。Martin等[32]提出在激光增材制造過程中添加Sc、Zr、TiB2、TiC等異質形核納米顆粒，可以細化晶粒、避免熱裂紋的形成。隨著晶粒細化劑的添加，晶粒發生了從柱狀晶到等軸晶的轉變，等軸晶的出現增加了單位體積內的晶界密度，有效阻擋了熱裂紋的擴展，同時增加了液相回填熱裂紋的通道[33]。

3.2.1 鋁硅合金

鋁硅合金微合金化以添加陶瓷相顆粒增強鋁基體為主。陶瓷顆?？杉毣Я?、阻礙熱裂紋擴展、改善基體潤濕性，從而提高熔體的流動性、降低成形件的孔隙率。Xi等[34]通過將TiB2顆粒添加到Al-12Si合金粉末中，消除了SLM成形件特有的晶體織構，形成了由隨機取向的細等軸晶粒組成的微觀組織，改善了成形件性能各向異性的缺陷。Gu等[35]采用SLM工藝制備了TiC/AlSi10Mg復合材料，規則分布的環形結構納米TiC增強材料產生了晶粒細化和晶界強化作用。Dai等[36]采用SLM工藝制備了AlN/AlSi10Mg復合材料，納米AlN陶瓷顆粒的添加起到了成核位點的作用，促進形核并使晶粒細化。Gao等[37]采用超聲振動彌散技術成功制備出TiN/AlSi10Mg復合粉末。與AlSi10Mg合金粉末相比，TiN/AlSi10Mg復合粉末的激光反射率從62%降低至25%(圖6)，且AlSi10Mg粉末在100 W的低激光功率下可與均勻分布的納米TiN增強顆粒形成良好的結合界面。

圖6 不同合金粉末的激光反射率[37]Fig.6 Laser reflectivity of different alloy powders[37]

3.2.2 鋁銅合金

2000系鋁合金具有室溫/高溫力學性能優異、切削加工性能好、耐熱性高等優點，但其結晶溫度區間較寬、熱裂紋敏感性較高，在SLM成形過程中易出現熱裂，因此研究者對其微合金化展開了研究。Wang等[38]采用SLM工藝成功制備了近致密的TiB2/Al-3.5Cu-1.5Mg-1Si合金，如圖7所示，TiB2的加入使Al-Cu-Mg-Si合金的晶粒尺寸由(23.0±1.0)下降至(2.5±0.1)μm，晶界密度增加，可有效阻礙熱裂紋的擴展。

圖7 Al-Cu-Mg-Si合金(a)和TiB2/Al-Cu-Mg-Si復合材料(b)的電子背散射衍射(EBSD)照片(紅色區域為α-Al相，綠色區域為TiB2相)[38]Fig.7 EBSD images of Al-Cu-Mg-Si alloy (a) and TiB2/Al-Cu-Mg-Si composite (b) (red areas and green areas representing α-Al phases and TiB2 phases, respectively)[38]

Zhang等[39]在Al-4.24Cu-1.97Mg合金中添加Zr元素后對其進行SLM成形，制備的Al-Cu-Mg和Zr/Al-Cu-Mg合金的橫截面微觀形貌如圖8所示。Zr元素添加后，熱裂紋明顯減少，這是由于原位合成的Al3Zr成核位點顯著細化了α-Al基體，降低了合金的熱裂傾向；此外，Zr元素是一種表面活性元素，可降低固液界面能和表面張力，有助于熔融金屬的擴散。

圖8 采用SLM工藝制備的Al-Cu-Mg和Zr/Al-Cu-Mg樣品在不同掃描速度下的光學顯微鏡(OM)照片[39]Fig.8 OM images of SLM-ed Al-Cu-Mg and Zr/Al-Cu-Mg samples at different scan speeds[39]

3.2.3 鋁鎂合金及鋁鋅鎂合金

鋁鎂合金和鋁鋅鎂合金同樣也具有寬的結晶溫度區間和高的淬火敏感性，為降低其在SLM成形過程中產生缺陷的傾向，需要通過微合金化對其進行調控。Li等[40]發現在沒有Si元素的情況下鋁合金易產生熱裂紋，故開發了一種含Si元素的Al-Mg-xSi-Sc-Zr合金。當在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中添加1.3%(質量分數，下同)的Si元素時，可有效抑制合金在SLM成形過程中熱裂紋的產生，這是由于Si元素在Al基體中形成了Al-Mg2Si共晶，而共晶反應的發生有助于降低鋁鎂合金在凝固過程發生熱裂的概率。

Bi等[23]設計了經Sc元素和Zr元素改性的7075鋁合金。在高激光能量密度下，SLM成形的Al-5.8Zn-2.5Mg-0.4Sc-0.25Zr合金內部未形成熱裂紋。當激光能量密度為345 J/mm3時，合金的平均晶粒尺寸為2.6 μm，抗拉強度達到621 MPa。同樣，Casati等[41]在研究的Al-6.8Zn-6.5Si-2Mg-1.3Cu合金中發現，Si元素的添加顯著減少或抑制了合金在SLM成形過程中熱裂紋的產生。圖9顯示了不同Si含量的Al-6.8Zn-xSi-2Mg-1.3Cu合金平行于構建方向的橫截面顯微照片。當Si含量為6.5%時，合金組織致密、缺陷大大減少，相對密度達到99.8%。Si元素的添加使得鋁鋅鎂合金在凝固最后階段形成了共晶成分，降低了合金的結晶溫度區間寬度，改善了晶間區域的液相回填，減少了熱裂紋和孔隙的產生。因此，將Si元素用于SLM成形鋁合金微合金化值得更加深入的研究。

圖9 Al-6.8Zn-xSi-2Mg-1.3Cu合金平行于構建方向的截面顯微照片[41]：(a)3%Si，(b)4.5%Si，(c)6.5%SiFig.9 Section micrographs of Al-6.8Zn-xSi-2Mg-1.3Cu alloys parallel to the building direction[41]: (a) 3wt%Si, (b) 4.5wt%Si, (c) 6.5wt%Si

4 結 語

目前，SLM成形鋁合金的主要缺陷是熱裂紋和孔隙，針對此類缺陷的調控手段主要圍繞工藝優化與微合金化展開，這兩個方面的研究取得了一定的成果：

(1)工藝優化：采用合適的激光能量密度確保粉末完全熔化；掃描間距應略低于光斑直徑以獲得合理的熔池搭接；鋪粉厚度應略高于粉末平均粒徑以確保相鄰層冶金結合；以Ar作為保護氣氛防止鋁合金粉末氧化；采用預燒結和基板預熱手段降低成形件的殘余應力聚集。

(2)微合金化：鋁硅合金的微合金化以添加陶瓷顆粒增強相為主，以實現晶粒細化、孔隙率降低，從而提高鋁硅合金的力學性能；鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅鎂合金目前主要是通過添加TiC、TiB2、Zr、Sc等促進形核、細化晶粒，從而形成高抗裂合金體系。此外，Si，Zr等表面活性元素的添加，有助于降低熔體表面張力，提高熔池流動性，增加液相回填熱裂紋和孔隙的通道。

隨著航天航空、兵器工業領域對武器裝備性能和機動性要求的日益提高，以及為滿足保障部隊戰斗力提出的即時制造、即時修復和即時更換的思想，高比強度、高比剛度及輕量化材料是研究人員共同追求的目標。目前，眾多研究者對于鋁合金SLM成形進行了大量研究，然而對SLM成形鋁合金的材料、工藝及理論的研究，尚有很多未獲得本質突破。為了實現SLM成形鋁合金工程化應用，未來研究可從以下幾方面開展：

(1)通過工藝優化能夠極大減少鋁合金SLM成形過程中缺陷的形成，但仍有很多牌號鋁合金的缺陷難以徹底消除且調控不穩定，如2000系和7000系等。究其原因，SLM工藝的定性研究并不能解決所有鋁合金成形的問題，因此未來需要深入定量研究SLM成形過程中的關鍵科學問題，包括非平衡熔池凝固行為對熱裂紋的影響機制、SLM技術顯微組織調控機制、激光成形內應力演化與缺陷之間的關系。

(2)通過添加細化劑和異質形核元素等微合金化手段，可大幅度降低鋁合金SLM成形過程中的孔隙率和熱裂傾向。但是，由此導致的合金原始成分的改變對鋁合金疲勞性能、耐腐蝕性能和高溫性能等的影響尚未可知。因此，未來需要重視粉體材料對改善SLM成形鋁合金成形性能的物質基礎作用，深入定量研究微合金化粉末對SLM成形鋁合金性能的影響機制，從而實現SLM定制化鋁合金粉末的專業化和系列化。

(3)目前，SLM成形鋁合金的缺陷僅憑工藝優化或者微合金化都不能完美消除，因此“粉體設計制備—SLM工藝—后處理工藝”一體化研究是實現高性能復雜鋁合金零部件SLM制造的主要路線。