高強鋁激光選區熔化成形工藝研究

陳波 孫維澤

摘要：采用金屬3D打印技術應用最廣的激光選區熔化（SLM）成形技術，開展高強鋁（AlMgScZr）成形工藝、組織性能調控及工程應用研究，以確定合適的工藝參數，打印出合格的零件。

關鍵詞：激光選區熔化;高強鋁合金;熱處理

一、概述

作為金屬3D打印的重要材料之一，鋁合金由于密度輕、彈性好、比剛度和比強度高等一系列優良特性，一直被認為是“朝陽材料”。它在航空航天、汽車制造等領域已被廣泛應用且具有良好的發展前景，與3D打印的結合更是迸發出新的活力。高強鋁合金是以α穩定元素Al的固溶強化為主要強化機制，同時加入一定中性元素Zr和β穩定元素Mo和V進行補充強化和改善工藝性能，該鋁合金具有強度高、焊接性能和工藝性能好等突出優點，被廣泛用來制造發動機機匣、葉片及各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型復雜主承力結構件。由于鋁合金變形溫度高、變形抗力大，采用傳統的“鍛造+機械加工”方法制造大型復雜鋁合金結構件，不僅工序長、工藝復雜，而且零件機械加工去除量大、制造成本高、生產周期很長，無法適應市場的需求。

增材制造技術基于“離散-堆積”的思想，能以低成本和短周期的特點最大程度的滿足各種個性化需求，堪稱制造技術的一次革命性突破。增材制造技術在近30年里取得了迅猛的發展。其中，針對金屬材料的激光選區熔化（SLM）成形技術以其高柔性、周期短等一系列特點，成為當前裝備制造領域的研究熱點之一，也為解決航空航天領域復雜精密構件的制造難題提供了契機。在“十四五”期間，研制、試制型號會越來越多，在高強鋁合金零件的需求方面會越來越多，開展激光選區熔化設備成形高強鋁合金零件工藝研究，確定最佳工藝參數，可以推動增材制造技術在航空航天領域的應用。

二、研究內容

激光選區熔化成形是個復雜的過程，本文采用模擬結合實驗驗證的方式研究成形工藝對組織性能的影響規律。采用有限元模擬技術研究不同加工參數下單道、單層多道、多層多道溫度場分布及能量變化規律，研究加工參數、燒結溫度對熔深、熔寬的影響規律。結合模擬結果分析，采用實驗驗證進一步研究激光功率、掃描速度、鋪粉層厚等參數對微觀組織及力學性能的影響規律，確認最佳工藝參數，并研究熱處理技術對組織及性能的影響規律。

三、關鍵技術及解決途徑

1.SLM成形溫度場有限元模擬

利用Ansys軟件模擬成形過程溫度場分布，按照溫度場的基本理論，結合SLM加工實際過程，對模型建立、網格劃分、邊界條件設置、激光熱源加載及潛熱等具體問題給出解決方案。利用建立的模型，模擬SLM單道掃描過程中，激光功率、掃描速度及初始環境溫度對熔寬、熔深的影響規律;在單道掃描的基礎上，進行單層多道掃描模擬，確立最佳掃描線搭接率;進行多層多道掃描加工模擬，確定最佳理論加工工藝參數，為SLM加工進一步優化工藝參數提供理論指導。

2.SLM成形工藝參數優化

SLM技術成形主要參數有激光功率、掃描速度和掃描路徑。激光功率、掃描速度決定能量密度，在掃描速度一定的情況下，激光功率越大，能量密度越大;在激光功率一定情況下，掃描速度越快，能量密度越低。掃描路徑影響成形過程的溫度變化、成形件的殘余應力和致密度等。在參數優化過程中單道之間的搭接非常重要，能量密度相同情況下，若路徑間距小，則填充致密，打印效率低;若路徑間距過大，容易出現未熔合現象，造成零件缺陷。因此，恰當的搭接是工藝參數優化的關鍵。

①激光能量密度優化實驗

由于單道成形軌跡與激光能量密度有關，激光能量密度由激光功率和掃描速度共同確定，因此優先確定不同的較優參數組，最后確定最終參數組。選擇激光功率分別為P1、P2和P3，在每種激光功率下再分別選擇3種掃描速度V1、V2和V3，通過對金相組織熔合狀況進行觀察，選出3種較優參數組。然后對比較優3組試樣的組織金相、拉伸性能，確定最終激光能量密度，如表1所示。

②掃描路徑優化實驗

SLM成形過程中液態金屬表面張力拖曳其周圍的粉末顆粒，減少相鄰掃描路徑上的粉末。如果掃描策略設計不合理，致使成形件致密度很難提高。因此，通過成形表面形貌，設計合理的掃描策略。同時，還可得到較優的路徑間距等工藝參數。選擇掃描策略分別為S1、S2和S3，在每種掃描策略下再分別選擇3種路徑間距R1、R2和R3，通過對金相組織熔合狀況進行觀察，選出3種較優參數組。然后對比較優3組試樣的組織金相、拉伸性能，確定最終掃描路徑，如表2所示。

③切片參數優化實驗

選擇不同的切片參數成形金相式樣和拉伸式樣，如表3所示。對比金相組織和力學性能結果，確定較優層厚。

3.SLM成形高強鋁合金的熱處理調控技術

根據以往的研究經驗，沉積態下零件的抗拉強度和屈服強度具有較好的表現，甚至有可能超越同牌號鍛件的標準，但是塑性的數據較差，難以實現SLM成形高強鋁合金的強韌性匹配。因此，通過熱處理手段對SLM成形高強鋁合金的韌性進行調控是必要的。同時，熱處理過程對高強鋁內部組織的分布也有一定的正向作用。

通過合適的熱處理可以大幅度優化性能，微量鈧和鋯對鋁合金均具有較明顯的再結晶抑制作用，析出的彌散、細小的第二項質點與基體共格，且具有較高的熱穩定性，在高溫下不長大、不回溶，能強烈的釘扎位錯和晶界，有效阻止位錯的遷移和亞晶的形成、長大或合并。通過設置不同的熱處理溫度，分析不同熱處理參數下工件的力學性能和微觀組織。

四、結果

1.通過研究，建議采取的工藝參數為：

2.熱處理建議范圍為：300℃-360℃。

3.可達到的力學性能

致密度≥99.4%;

常溫環境下抗拉強度≥520MPa;

常溫環境下屈服強度≥500MPa;

常溫環境下延伸率≥12%;

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基金項目：貴州航天職業技術學院院級科研項目“基于3D掃描技術、3D打印技術的工程應用探索與教學項目開發”（立項人：孫維澤，項目編號：2021GZHTZY101B）的階段性成果。