铝合金3D打印直接与间接成型零件的组织和力学性能研究

张浩然，孙广合，陈 昊，郑慧超，张一帆

（北京纵横机电技术开发公司工艺技术部，北京100094）

生产中对于机加工难度较大的的零件，主要采用铸造、焊接等工艺。由于铝合金的可焊性比较差，铸造工艺为其主要的成型方法。随着近年来3D打印技术的快速发展，金属直接成型或近净成型技术应用越来越广泛，特别是航空、航天领域，比如北京航空航天大学王华明等人[1]成功制造了单件重量超过110 kg的多个钛合金结构件及国内尺寸最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工、大型复杂的整体关键构件的激光成型工艺、成套装备和应用关键技术。由于3D打印技术不受零件复杂程度的影响，具有铸造不可比拟的优势，且不需要开模具，特别适合于产品的快速验证。除了金属3D打印的直接成型以外，还有3D打印的间接成型工艺，其不直接打印金属零件本身，而是先打印零件的母模，通过母模翻制成模具，然后通过该模具铸造出最终零件。间接成型的零件本身材质仍是铸造态，但由于不直接打印金属，也不需要开金属模具，因此成本较直接成型工艺要低的多。

为了进一步了解这两种3D打印工艺的特点，本文分别利用AlSi10Mg和ZL105两种材质进行了直接和间接成型，对成型样品的组织和力学性能分别进行了对比。

1 AlSi10Mg的3D打印直接成型

1.1 成型特点

以AlSi10Mg粉末作为材质，选用激光选区熔化工艺直接3D打印零件，成型设备为德国Concept Laser公司的M2 Multilaser.不同于铸造工艺，激光选区熔化工艺通过不同层的粉末逐层熔化堆叠，最终形成零件。其温度场具有加热、冷却、再加热的特点，这必然也会对零件最终的组织和力学性能产生影响。为了弄清这个问题，分别从两个方向进行分析，即层叠方向和扫描方向。图1a为打印的实际零件；图1b的长条形样品为同步打印试样用于测试，其中短边为分层堆叠方向，长边为激光扫描路径平面。

图1 AlSi10Mg激光直接成型

在图1（b）的试样上分别沿着短边和长边截取片段，进行金相制样。图2a为短边平面上200 μm比例尺的放大照片，图2b为长边平面上200 μm比例尺的放大照片。从图可以看出，由于短边为分层堆叠方向，其组织具有明显的层叠结构；而长边为激光扫描面，条形组织呈现纵横交错分布，主要是因为对激光的扫描路径进行了优化，非简单的光栅或分区扫描，会根据扫描区域的温度场进行调整，且表面温度较高，AlSi10Mg粉末大部分处于完全熔化状态，因而组织呈现各向异性。另外需要指出的是，图2无论是沿着长边还是短边，内部组织都存在一些黑色的孔洞，这些孔洞应为个别未完全熔化的局部点。

图2 AlSi10Mg试样两方向组织分布

1.2 AlSi10Mg成型零件的金相分析

为了研究AlSi10Mg直接成型零件的组织特点，对其金相进行了进一步的放大观察，如图3所示。根据AlSi系合金相图可知[2，3]，由于材质含有10%的硅，接近于共晶点11.7%，因此最终的组织形态应为近共晶组织，如图3.但与传统的AlSi合金系组织相比，采用激光选区熔化打印出的AlSi10Mg样品，其呈现出的组织形貌明显不同，虽然组织也主要是由白色的ɑ固溶体和灰色的硅组成，但共晶硅的分布非常弥散化，呈小圆球状，晶粒也细小的多。究其原因，主要是由于该工艺本身所致，激光每扫描完一层，有一个铺粉、刮平的过程，该过程使得熔化的区域得以快速冷却，其温度场冷却梯度不利于共晶硅的聚集长大，从而形成更加细化的晶粒。由于晶粒比较小，与同样材质的铸态组织相比，激光选区熔化零件具有更好的综合机械性能，下文的力学性能分析还有详细的说明。另外，仔细观察还可以发现AlSi10Mg粉末熔化后所形成的边界，该边界为图2的边界放大后效果。

图3 AlSi10Mg的金相组织

1.3 AlSi10Mg成型零件的力学性能

如前文所述，AlSi10Mg直接成型零件在层叠（沿短边）和扫描（沿长边）两个平面上的组织形貌有差异，为了明确该差异对性能造成的影响，对两个平面分别测试布氏硬度，层叠面和扫描面各随机打三个点，如表1所示。

表1 AlSi10Mg直接成型扫描面和层叠面的硬度

从表1可以看出，两个面的硬度有一定的差异，扫描面的硬度要大于层叠面，主要是层叠面的分层结构所致。但层叠面的硬度值，仍然大于DIN EN1706标准中给出的EN AC-AlSi10Mg T6铸造态的最低硬度值90HBS，说明即使在层叠面上，Al－Si10Mg直接成型零件仍然具有超过铸造态零件的力学特性。

同时还测试了三个试样在长边方向的屈服强度、抗拉强度和断面伸长率三个参数，测量结果如表2所示。同样对比DIN EN1706标准中EN ACAlSi10Mg T6性能指标，这三个参数分别为220MPa、260 MPa、1%.通过比较可知，AlSi10Mg直接打印成型的零件屈服强度略低于采用同样材质的铸态组织，而抗拉强度和断面伸长率则明显更高。分析其原因，主要是由于前面提到的激光选区熔化工艺使共晶硅弥散化以及组织细化所致，无铸态零件的粗大组织，晶界较多，因而塑性得到增强。

表2 AlSi10Mg直接成型的力学参数测量

2 ZL105的3D打印间接成型

2.1 材质对比

如前所述，铝合金的3D打印技术还可以采用间接成型工艺，本文选用的间接成型工艺是通过激光选区烧结工艺先打印零件的蜡模，然后通过蜡模翻制出零件的石膏模，最后在真空环境下进行金属浇铸。选取一种比较常见的铸造铝合金ZL105作为成型材质，其化学成分如表3所示。AlSi10Mg为1#，ZL105为2#.

表3 ZL105与AlSi10Mg的化学成分对比

通过表3的对比，可以得知1#与2#的主要差别在于Si和Cu含量，Si含量约为AlSi10Mg的1/2，Cu含量有较明显的增加。

2.2 铸造铝合金零件的晶相分析

根据AlSi系合金相图可知，由于ZL105材质只含有5.23%的硅，小于共晶点11.7%，因此最终的组织形态应为亚共晶组织。从图4可以看出，试样的组织与AlSi系合金相图相似，除了有白色的ɑ基体、灰色的共晶硅和少量初晶硅，还有亮灰色的Al2Cu和少量骨骼状的Mg2Si组织。白色ɑ相呈现不规则圆条状，而共晶硅从图4b看，呈现小长圆条状。整体来看，该组织更接近于AlSi合金系的变质处理态，而非带有明显尖角的板条状共晶硅的未变质处理态，因此成型零件的机械性能要好于未变质态，但是硅相的分布没有激光选区熔化成型零件的弥散，组织也明显更加粗大一些。

图4 ZL105的晶相组织

2.3 铸造铝合金零件的力学性能

本文分别对三个采用间接成型工艺的ZL105试样进行拉伸试验，结果如表4所示。将表4与表2对比可以发现，由于组织成分中的Si为强化相，较少的Si含量以及组织分布的影响，采用间接成型的ZL105零件综合力学性能指标要低于采用直接成型工艺的AlSi10Mg零件。平均屈服强度约低20%，抗拉强度约低10%，断面收缩率约低40%.但是与常规铸造的ZL105力学性能相比，力学性能还是有明显提升，抗拉强度约提升10%，断面收缩率约提升100%，成型零件的精度也更好。这是因为石膏型热导性很低，充型时合金液流动保持时间长，适宜铸造薄壁复杂件。

表4 ZL105间接成型与常规铸造的力学参数测量

3 结束语

对于AlSi10Mg的3D打印直接成型，其组织具有一定方向性，不同的成型平面硬度有所差别，与同样材质的铸态零件相比，其共晶硅分布更加弥散，金相组织更加细小，综合机械性能更高。对于ZL105的3D打印间接成型，由于其本质仍为铸造工艺，因此金相组织与传统铸造态组织相似，但力学参数要好于同材质常规铸造件，而金相组织的尺寸要大于直接成型工艺。

参考文献：

[1]王华明，张述泉，汤海波，等.大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展[J]．航空精密制造技术，2008，44（6）：28-30.

[2]刘楚明，蒋树农，陈志永，等.铝合金相图册[M].长沙：中南大学出版社，2014.

[3]李炯辉，林德成.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2014.