基于響應面優化法激光選區熔化AlMgScZr研究

鄧朝陽，郭一帆，褚清坤，閆星辰，劉 敏

1.廣東省科學院新材料研究所，廣東省現代表面工程技術重點實驗室，現代材料表面工程技術國家工程實驗室，廣東 廣州 510650；2.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083；3.廣東工業大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006

鋁合金作為輕質結構材料，具有密度低、加工性能優良及耐腐蝕性能好等優點，被廣泛應用于航空航天、汽車和石油化工等領域中.在先進制造鋁合金應用方面，采用增材制造技術成形結構復雜的鋁合金零件不僅可以減少加工步驟、縮短生產周期，而且還可以消除由焊接和拼合過程帶來的整體性能下降.激光選區熔化(Selective Laser Melting, SLM)技術作為增材制造的一項重要技術，可溯源至20世紀80年代的快速成型技術[1-4].SLM利用逐層打印的基本原理，可以在粉末床上逐層打印出結構復雜的金屬零件[5-7].由于激光熔化后熔池與基體交換熱量很快，冷卻速率可達1 107K/s，在這樣的冷卻速率下打印零件的晶粒尺寸會比其他加工方式生產的要細小很多[8-11].然而，由于鋁合金的固有屬性，如高反射率、低熔點和易氧化，鋁合金在SLM快速凝固過程中易于形成熱撕裂和晶粒粗大等缺陷.隨著對輕量化、節能減排的需求不斷增長，高性能鋁合金的增材制造已成為當前的研究熱點.

目前，關于SLM鋁合金的研究主要集中在合金元素對顯微結構及材料性能的影響，相關研究對5xxx鋁合金的發展產生了重要影響.微量(低于0.4%)Sc元素的加入可以使鋁合金在時效強化的過程中產生與鋁基體共格的納米級Al3Sc相，由于Al3Sc相大量彌散均勻分布，因而可以大幅提高時效強化的效果[12-15].含Sc的5xxx鋁合金經過時效強化后，其強度甚至可以媲美其它系列的高強鋁合金，如AlMgZn合金、AlMgSi合金、AlLi合金等[16-17]，并且由于納米級Al3Sc沉淀相可以提高合金抗粗晶化能力，含Sc鋁合金在高溫下(可至350 ℃)也能保持較高強度[18-20].微量(低于0.14%)Zr元素能進一步提高合金高溫穩定性[21]，這是由于Al3(Sc,Zr)沉淀相比于Al3Sc沉淀相具有更高的抗粗晶化能力[14, 16].然而，由于Sc元素的開采和制備成本高，且Zr元素可以部分替代鋁合金中Sc元素的作用[22]，為了節省生產成本，在制備鋁合金時經常采用同時添加Zr元素和Sc元素的方法來提升鋁合金的機械性能.因此，在SLM制備鋁合金的過程中，為了提高合金的抗熱裂性能及減小晶粒尺寸從而提高合金性能，一般都要加入微量的Sc元素和Zr元素以達到沉淀強化的效果.除合金元素外，SLM成形參數的設置也會對產品性能產生重要影響.例如：激光功率過低可能導致粉末熔化不完全，引起致密度降低，從而導致合金強度降低；掃描間距過大可能會產生孔隙，降低致密度；掃描速率過大，會導致能量密度降低，導致孔隙產生，降低致密度.考慮到不同打印參數對性能的影響顯著程度不同，多種因素交互作用情況也相當復雜，因而需要引入一種分析多變量交互作用的分析方法對SLM制備AlMgScZr進行研究.

響應面法是一種可以處理多種影響因素及其相互作用的分析方法，具有高效精確簡單的特點[23].這種方法可以利用統計和數學技術，有效克服傳統線性研究方法中單一變量的限制[24-25].其基本原理為：設計一系列不同水平的試驗因子，利用多個試驗因子的組合進行試驗，進而模擬真實極限狀態曲面，并借此對響應變量進行響應面分析及顯著性檢驗[26].借助響應面法可以判斷出影響顯著的因子，并借此擬合得到響應曲面最優解，從而實現對工藝參數的優化.響應面法可以非常直觀地對各種工藝參數影響開展分析，適用于先進制造領域的基礎制備技術研究.目前關于SLM鋁合金的研究中，利用響應面法對工藝參數展開的研究還未見報道.

為了優化SLM制備AlMgScZr的工藝參數，確定激光功率、掃描速率和掃描間距對合金顯微硬度及相對密度的影響，采用SLM技術制備AlMgScZr合金，設計了一系列不同參數試驗對合金性能進行響應曲面分析，優化了工藝參數，同時對SLM制備的AlMgScZr合金進行了微觀組織分析和拉伸性能測試，為SLM制備AlMgScZr合金的進一步發展提供了參數支持與理論參考.

1 材料及方法

1.1 原材料

研究所用粉末為廣東省科學院新材料研究所提供的AlMgScZr粉末，粉末純度為99.9%、形狀為類球形(圖1)，其化學成分列于表1.粒度分布測試所用儀器為 Mastersizer 3000型激光衍射粉末粒度儀，測試結果如圖2所示.從圖2可見，Dv(10)=16.7 μm，Dv(50)=30.9 μm，Dv(90)=38.1 μm.

圖1 AlMgScZr粉末宏觀形貌

表1 AlMgScZr粉末化學成分

圖2 AlMgScZr粉末粒徑分布

1.2 制備方法

研究所用的設備為配有IPG Yt光纖激光器的EOS M290增材制造系統，其光斑直徑為100 μm，波長為1060～1100 nm，額定功率為400 W.SLM激光掃描策略如圖3所示，即每層掃描結束后掃描路徑旋轉67 °后繼續進行下一層制備.實驗過程中，為保護鋁合金樣品不被氧化，在成形腔內充滿高純氬氣(99.999%)以保證氧含量在0.1 %以下.

圖3 SLM 掃描策略

試驗試樣為采用SLM法制備的AlMgScZr合金試樣(圖4).圖4中小框內為顯微組織形貌分析試樣，其形狀為正方體，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm.圖4中大框內為拉伸試樣，用于拉伸性能測試.同時對部分拉伸試樣進行熱處理，研究熱處理對拉伸性能的影響，熱處理參數為升溫速度10 ℃/min，升溫到350 ℃保溫6 h，出爐后在氬氣氣氛中冷卻.

圖4 SLM AlMgScZr 合金試樣

1.3 測試方法

使用RIGAKU公司生產的Smartlab 9KW型高分辨X射線衍射儀對SLM AlMgScZr合金試樣進行物相組成分析，所用靶材為銅靶，其中電壓為40 kV、電流為30 mA、掃描角度為30～110 °.使用MH-5D型顯微硬度計對試樣表面進行顯微硬度測試，加載載荷為50 g，保載時間為15 s，測量的兩點間距為0.3 mm，統計10次測量的平均值.利用阿基米德排水法對SLM制備所得試樣進行相對密度測量，根據三次試驗所得數據計算出平均值并進行統計.使用TegraMin-25型自動磨拋機對SLM制備的10 mm×10 mm×10 mm試樣進行粗磨、精磨、拋光，然后在Keller試劑中腐蝕20 s，使用Leica Dmirm MW550型金相顯微鏡和Nova nanoSEM430型場發射掃描電子顯微鏡對試樣顯微組織形貌進行表征.使用INSTRON萬能拉伸試驗機對SLM AlMgScZr合金試樣進行拉伸性能測試，并使用掃描電子顯微鏡對試樣斷口形貌進行表征.

1.4 響應面分析

研究主要采用三因子兩水平響應面分析，使用軟件為Minitab和Inc.公司的Minitab 16.選取因子為激光功率、掃描速度、掃描間距.對相關參數進行系統研究后，激光功率高低水平分別選取370和200 W、掃描速度高低水平分別選取1300和800 mm/s、掃描間距高低水平分別選取0.12和0.10 mm.設計試驗因素與水平列于表2，響應面試驗設計及結果列于表3.

表2 試驗因素與水平

表3 響應面試驗設計及結果

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖5為AlMgScZr合金粉末及SLM塊體的X射線衍射圖譜.從圖5可以發現：所有XRD圖譜中都檢測到了α-Al，Al3(Sc，Zr)和AlxMgy相，且沒有發現其他氧化物及雜質相的峰，這是因為在SLM過程中成形倉內持續通入高純氬氣(99.9%)，使成形時氧含量始終低于0.1%，避免了試樣的氧化；AlMgScZr合金試樣的衍射峰相對于粉末產生了一定的偏移，這是由于SLM是一個粉末熔化并快速凝固的過程，成形后的樣品存在很大的熱應力及組織應力，殘余應力導致了晶格發生了一定程度的畸變，而且非平衡凝固時更多的溶質原子進入晶格間隙也會使晶格產生畸變，最終使得SLM AlMgScZr合金試樣的衍射峰相對于粉末向低角度產生了一定的偏移.

圖5 AlMgScZr 合金粉末及 SLM 塊體的 X 射線衍射圖譜

2.2 顯微硬度響應面分析及顯著性檢驗

采用Minitab 16軟件，利用已編碼單位對顯微硬度Y1進行二次多項式回歸擬合，得到顯微硬度Y1對激光功率(記為A)、掃描速度(記為B)、掃描間距(記為C)的二次多項回歸模型.

Y1=-1.125A-1.15B-0.825C-0.5AB+0.906AC+0.313BC

繪制的顯微硬度的響應曲面如圖6所示.從圖6可以看出，激光功率和掃描速度對顯微硬度的影響大于掃描間距對顯微硬度的影響.通過對二次回歸模型進一步分析，可以得到最優的加工參數，即當激光功率370 W、掃描速度1300 mm/s和掃描間距0.12 mm時，合金可以達到較高顯微硬度，最優值可達到122.7 HV0.05.

圖6 顯微硬度的響應曲面

2.3 相對密度響應面分析及顯著性檢驗

采用Minitab 16軟件，利用已編碼單位對相對密度Y2進行二次多項式回歸擬合，得到相對密度Y2對激光功率(記為A)、掃描速度(記為B)、掃描間距(記為C)的二次多項回歸模型.

Y2=0.0334A-0.0383B-0.1567C-0.0646AB+0.0001AC+0.0585BC

繪制的相對密度的響應曲面如圖7所示.從圖7可以看出，掃描間距對相對密度的影響最為顯著，遠大于激光功率和掃描速度對顯微硬度的影響.通過對二次回歸模型進行進一步分析，可以得到最優的加工參數，即當激光功率370 W、掃描速度800 mm/s、掃描間距0.10 mm時，合金可以達到較高相對密度，最優值可達到99.2032%.

圖7 相對密度的響應曲面

2.4 致密塊體微觀組織分析

圖8為響應面參數優化后的試樣表面顯微形貌.從圖8(a)可以看出，不同層間的熔池分布，第n層和第n+1層之間的夾角為67 °.由于鋁合金的外延生長特性，其傾向于沿散熱方向產生粗大的柱狀晶體.但是，SLM是一個粉末熔化并快速凝固的過程，形核后的晶粒遇上極大的過冷度，來不及長大就已凝固，傾向于形成細晶.通過添加Sc和Zr元素，在SLM凝固過程中會形成Al3(Sc，Zr)顆粒[27-28]，由于Al3(Sc，Zr)顆粒的異質形核作用，在熔池凝固后形成了細小分布均勻的等軸晶(圖8(b)).因此，添加Sc元素和Zr元素可以明顯減小晶粒尺寸.

圖8 SLM AlMgScZr微觀組織圖

2.5 致密塊體拉伸性能分析

為研究熱處理對SLM AlMgScZr合金拉伸性能的影響，對熱處理(350 ℃，保溫6h)前后不同參數的試樣進行拉伸測試.圖9為不同試樣的應力-應變曲線.

從圖9可見，塑性變形階段曲線出現了波動，這是因為出現了AlMg合金典型的PLC效應(Portevin-Le-Chatelier).試樣的拉伸性能均較好，這是由于SLM是一個激光熔化粉末形成熔池并快速冷卻的過程，其冷卻速度可達107K/s，極大的冷卻速度將使得晶粒來不及長大便已凝固，得到的是尺寸細小的晶粒.根據Hall-Petch公式σ=σ0+Kd-1/2也可以發現，晶粒尺寸越小，由細晶強化帶來的強度提升越大.同時，極大的冷卻速度也將帶來極大的熱應力及組織應力，并且由于所制備的試樣致密度高，氣孔裂紋等缺陷少，因此其機械性能相對較高.

圖9 SLM AlMgScZr 合金的應力-應變曲線

盡管熱處理對晶體尺寸的變化影響很小，但會影響Al3(Sc，Zr)相的形態和分布，從而進一步影響SLM試樣的機械性能.表4為不同試樣的拉伸性能數據.由表4可知：A1號試樣的屈服強度最高為282.0 MPa、A2號試樣次之、A3號試樣最低，這是因為隨著激光功率的增加激光的能量輸入隨之增加，過多的能量輸入導致熔池燒損的現象加劇，從而帶來更多的微孔等缺陷，使拉伸性能逐漸降低；通過對比熱處理前后SLM AlMgScZr合金試樣拉伸性能可以發現，熱處理能顯著提高試樣的屈服強度和抗拉強度，A1號、A2號及A3號試樣經熱處理后屈服強度分別提高了93.9%，93.5%和80.7%，抗拉強度分別提高了68.7%，68.7%和54.0%，這是因為熱處理后有更多的Al3(Sc，Zr)相析出；SLM AlMgScZr合金試樣經熱處理后延伸率降低，這是由于細小彌散分布的Al3(Sc，Zr)相粒子對位錯的運動起到極大的阻礙作用，從而提高了SLM AlMgScZr合金的屈服強度，但第二相粒子的邊緣處容易產生應力集中現象，形成裂紋源，從而降低材料的韌性，使延伸率下降.

表4 不同試驗參數所制備的AlMgScZr合金力學性能

圖10為熱處理前后SLM AlMgScZr拉伸試樣斷口形貌.從圖10可見：SLM原始態的斷口里包含更多的韌窩(圖10(b))，為明顯的韌性斷裂；熱處理后韌性下降，斷口中出現了眾多的河流狀花樣(圖10(d))，為解理斷裂.因此，熱處理提高了SLM AlMgScZr合金試樣的屈服強度和抗拉強度，但降低了SLM AlMgScZr合金試樣的韌性.

圖10 SLM AlMgScZr 拉伸試樣斷口形貌

通過響應面法優化SLM工藝參數，可獲得機械性能較好的AlMgScZr合金，在激光功率為300 W、掃描速度1000 mm/s條件下，可獲得相對密度為99.11%、屈服強度為282 MPa、抗拉強度333 MPa、延伸率為16%、顯微硬度為119.5 HV0.05的致密SLM AlMgScZr試樣(A1號試樣).經熱處理后，該試樣的抗拉強度升高到561.9 MPa，屈服強度提高至546.8 MPa，但延伸率降為5.2%.綜上所述，通過SLM技術制備了AlMgScZr合金，獲得了較好的機械性能，為SLM制備AlMgScZr合金的應用提供了理論參考.

3 結 論

利用SLM技術制備了AlMgScZr合金，采用響應面優化的方法對其進行了參數優化，并研究了熱處理對SLM AlMgScZr合金機械性能的影響.

(1)SLM AlMgScZr試樣主要物相為α-Al，Al3(Sc，Zr)和AlxMgy.由于Al3(Sc，Zr)相的異質形核作用，SLM AlMgScZr試樣微觀組織呈細小等軸晶分布.

(2)SLM AlMgScZr合金試樣的斷口為明顯的韌性斷裂，其經熱處理后韌性下降，斷口為解理斷裂.雖然熱處理提高了SLM AlMgScZr合金試樣的屈服強度和抗拉強度，但降低了SLM AlMgScZr合金試樣的韌性.

(3)拉伸性能方面，隨著激光功率增加，A1號、A2號及A3號試樣的屈服強度依次減小，分別為282 MPa，278.6 MPa和275.1 MPa.經熱處理后，它們的屈服強度和抗拉強度明顯提高，屈服強度分別提高了93.9%，93.5%和80.7%，抗拉強度分別提高了68.7%，68.7%和54.0%，而延伸率分別降低了5.2%，7.6%和6.4%.