激光选区熔化制备超薄铝合金板的可行性及力学性能

刘正武，时 云，王 毅，郝云波，崔宇涛，朱小刚

(1.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245；2.上海复杂工程技术研究中心，上海 200245)

0 引 言

随着航天技术的快速发展，卫星、雷达等产品不断追求极限性能，这对其复杂精密结构件制造技术的要求越来越高。薄壁结构在散热、零件精密化制造方面应用广泛，然而采用传统加工技术制备薄壁产品时极易产生穿孔、翘曲、鼓包等问题，加工困难，成品率低。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是近年发展起来的一种激光快速成形技术，其基于三维数字模型，利用高能束激光逐层熔化金属粉末，层层堆叠，实现精密零部件的直接制造[1-2]。SLM技术具有制备产品尺寸精度高、产品性能优良、制造一体化等优势，能够高效、快速地响应航天装备设计变化，灵活适应复杂精密构件的生产制造。卫星、雷达等产品的散热器、集热器等零件普遍具有薄壁翅片、空腔板、弯曲流道结构，甚至具有封闭腔结构，非常适合采用SLM技术进行制备。

目前，SLM技术的研究主要涉及工艺参数优化、装备研制、软件开发、力学性能与组织控制等方面[3-6]，有关复杂薄壁类结构的成形可行性及性能研究未见报道。为此，作者以航空航天广泛应用的AlSi10Mg铝合金为研究对象，验证了SLM技术制备薄壁结构的可行性，然后测试了成形薄壁件的力学性能，分析了成形原理，并试制了薄壁封闭腔结构散热器产品，以期为具有薄壁内腔零件的SLM成形提供基础数据积累，为航天用难加工产品的设计和研制提供创新思路。

1 试样制备与试验方法

试验原材料为AlSi10Mg铝合金粉末，形貌及主要化学成分如图1及表1所示。可见粉末形貌为近圆形或椭圆形，粒径在15～53 μm。

图1 AlSi10Mg铝合金粉末形貌Fig.1 Morphology of AlSi10Mg aluminum alloy powder

表1 AlSi10Mg铝合金粉末的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of AlSi10Mg aluminum alloy powder (mass) %

使用雷尼绍AM250激光选区熔化设备制备AlSi10Mg铝合金板。基于团队前期研究结果[7-8]选取工艺参数：激光功率为400 W，光斑直径为135 μm，光点间距为140 μm，预热温度为80 ℃，铺粉层厚度为25 μm。

首先采用上述工艺参数进行不同厚度实心薄壁板成形可行性试验，三维模型尺寸为15 mm×(0.1～0.8) mm×15 mm(长×宽×高)，共计8片试样。然后采用SLM技术成形中空薄壁板，空腔模型内腔间隙为0.5 mm，两侧壁厚在0.1～0.7 mm，长度和高度均为15 mm，共计7片试样。最后制备7组薄板室温拉伸试样，试样形状和尺寸如图2所示，设计厚度为0.1～0.7 mm，每个厚度下分别成形6根平行试样。通过线切割机将拉伸试样取下，对其表面打磨以去除黏渣等杂质，每组取3根试样进行T6热处理，即在(530±5) ℃下保温2 h水冷，然后在(170±5) ℃下保温8 h空冷。按照GB/T 228.1—2010，使用Instron万能试验机对成形态试样和热处理态试样进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mm·min-1，并与常规厚度(2 mm)试样进行对比。激光选区熔化纵向力学性能一般最低，故测试纵向力学性能。

图2 薄壁拉伸试样的形状及尺寸Fig.2 Shape and size of thin-walled tensile specimen

对薄板试样截面进行磨抛处理，用Keller溶液(HF，HCl，HNO3，H2O的体积比为1∶1.5∶2.5∶95)腐蚀约20 s，利用NOVA navoSEM 450型扫描电子显微镜观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 薄板SLM成形可行性

由图3(a)可以看出，0.2～0.8 mm厚的AlSi10Mg铝合金薄板均可成形，但0.5，0.6 mm厚薄板两侧轮廓发生剥离出现轻微空心现象。此外，0.1 mm薄板的实测厚度约为0.2 mm，说明试验所用激光选区熔化技术可成形薄板的壁厚最小为0.2 mm。间隙为0.5 mm的中空薄板亦均可成形，但0.5，0.6 mm厚中空薄板两侧板壁同样出现空心现象。

图3 不同设计壁厚下AlSi10Mg铝合金薄板的SLM成形宏观形貌Fig.3 Macromorphology of AlSi10Mg aluminum alloy thin sheets with different designed thickness formed by SLM: (a) solid thin sheets and (b) hollow thin sheets with 0.5 mm gap

2.2 薄壁结构SLM成形原理

如图4所示，薄板的SLM成形包括轮廓扫描和实体扫描两个步骤，即激光束实际扫描的路径包括轮廓及内部填充实体两部分。轮廓可以多次扫描，此处只分析轮廓扫描一次的情况。图4中d0，h0，h1均可以通过工艺参数进行设置，但受到光斑尺寸限制；理论上光斑尺寸越小，上述参数取值越小。薄板两侧轮廓通常都需要进行扫描，但实体部分视d2大小决定是否扫描，若d2≤2h1，不扫描实体；若d2>2h1，扫描实体。SLM成形薄板的理论壁厚B0为

(1)

d0为实体设计厚度；d1为额外光点补偿距离；d2为两侧轮廓间距；h0为理论偏移扫描距离；h1为实际轮廓扫描与实体扫描距离图4 薄板SLM成形原理示意Fig.4 Schematic of SLM forming principle of thin sheet

试验用激光光斑直径为0.135 mm，单道扫描宽度约为0.2 mm，d1设置为0.105 mm，h1设置为0.23 mm。由图5结合成形原理分析可知：当B0不大于0.67 mm时，薄板成形过程中激光束只扫描两侧轮廓，但当B0在0.10.4 mm时,轮廓两道扫描间距可由光点补偿覆盖，两道轮廓可以重叠，薄板为实心；当B0在0.50.6时，光点补偿不能覆盖轮廓两道扫描间距，轮廓分离，薄板出现间隙；B0为0.7，0.8 mm时，激光束开始扫描实体，将薄板填充为实心。由表2可以看出，成形试样的实测壁厚B1与理论壁厚B0相符合。

表2 实心薄壁板的成形尺寸Table 2 Forming size of solid thin plates

图5 厚度0.1～0.7 mm薄板的SLM成形过程Fig.5 SLM forming process of thin plate with thickness of 0.1～0.7 mm

综上可知，决定SLM薄板成形的主要参数为d1和h1，两者均由光斑直径决定。理论上，在薄板壁厚不小于粉末尺寸的情况下，SLM薄板成形极限尺寸由d1决定，光斑直径越小，d1越小。通过使用小光斑激光器可以提高SLM技术的精密成形能力；通过变光斑技术，在轮廓区域使用小光斑可以提高精度，在实体区域使用大光斑高功率可以提高成形效率。此外，理论上通过设置使d1=h1，可以避免空心薄板出现的情况。中空薄板两侧壁板成形原理与上述单层薄板的一致，不再赘述。

2.3 显微组织

选取设计壁厚为0.1 mm(实际壁厚0.2 mm)的试样进行显微组织分析。由图6可知：SLM成形薄板试样组织致密，不存在孔洞在层间分布的现象；共晶硅相呈短纤维状沿晶界分布，且其表面光滑，无明显棱角。根据Al-Si相图，凝固过程中首先生成α-Al初生相，随着温度的降低，生成共晶Al-Si相。共晶相一般沿着晶界分布[9]，上述显微组织形貌与之相吻合。

图6 SLM成形设计壁厚0.1 mm AlSi10Mg铝合金薄板截面显微组织Fig.6 Microstructures of the section of AlSi10Mg aluminum allay thin sheet formed by SLM with designed thickness of 0.1 mm: (a) at low magnification; (b) at high magnification and (c) eutectic Si phase amplification

2.4 薄板室温拉伸性能

由图7可知：0.1～0.7 mm设计厚度的SLM成形试样及其经T6热处理后的抗拉强度均超过200 MPa，虽然总体上略低于常规厚度试样的，但仍具有可观的强度，说明薄壁结构成形件力学性能良好，可满足众多非承力功能器件的使用要求；0.1～0.6 mm厚SLM成形试样的强度和伸长率相近，较0.7 mm的低，表明SLM过程中扫描实体内部可以在一定程度上提高薄板的强度；T6热处理后薄板试样强度略有降低，塑性得到提高，符合一般的热处理影响规律，T6热处理对薄板零件同样适用。

图7 不同设计厚度SLM成形态及T6热处理态AlSi10Mg铝合金薄板的室温拉伸性能Fig.7 Room temperature tensile properties of SLM formed (a) and T6 heat-treated (b) AlSi10Mg alumium alloy thin sheets with different designed thickness

2.5 薄壁封闭腔结构散热器产品试制

基于上述成形性及力学性能研究，作者对翅片均温板散热器零件进行了一体化打印测试，其三维模型如图8所示，包络尺寸为95 mm×95 mm×40 mm，翅片厚度为1 mm，翅片内空腔间隙为0.5 mm，底板内腔高度为1.2 mm，用于存储液相冷却液，翅片底板预留直径3 mm的清粉口，最后通过焊接进行封堵。散热器零件SLM成形实物如图9所示，表面经喷砂处理，可见零件成形效果良好，内部粉末可通过清粉口清除，表明激光选区熔化技术可应用于薄壁类及中空内腔薄板类产品的研制。

图8 中空内腔薄壁翅片均温板散热器结构示意Fig.8 Structure schematic of thin-walled finned temperature plate radiator with hollow cavity: (a) part model; (b) part cross section and (c) amplification of cross section

图9 中空内腔薄壁翅片均温板散热器SLM成形实物Fig.9 SLM formed thin-walled finned temperature plate radiator with hollow cavity

3 结 论

(1) 试验采用的激光选区熔化工艺可成形壁厚0.2 mm以上的AlSi10Mg铝合金薄板以及壁厚0.2 mm以上、内腔间隙为0.5 mm以上的中空薄壁板；板厚小于0.7 mm时由两侧轮廓扫描形成薄板，无实体扫描填充，板厚大于0.7 mm时有实体填充；厚度0.5，0.6 mm的薄板出现空心现象，通过减小光斑尺寸及调整工艺参数可进一步提高SLM技术成形精度，避免出现空心薄板；采用试验工艺参数可成功打印出薄壁、封闭腔散热器产品。

(2) SLM成形AlSi10Mg铝合金薄板组织致密，表面光滑的共晶硅相呈短纤维状沿晶界分布；SLM成形拉伸试样及其经T6热处理后的抗拉强度均高于200 MPa；T6热处理后试样强度降低、塑性提高，T6热处理适用于该薄板零件。