激光选区熔化3D打印AlSi10Mg合金的铺粉厚度

史振伟 王敏杰 戚文军 牛留辉 刘建业 张佳琪 刘 煜 王金海

1.大连理工大学机械工程学院，大连，1160242.广东汉邦激光科技有限公司，中山，528427

0 引言

粉末床熔融工艺[1-2]是通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺，具有市场响应快、可成形复杂零件结构、修复再制造关键零部件等优势，并克服了小批量生产周期长、加工成本高的缺点，在金属制造领域具有广阔前景。典型的粉末床熔融工艺包括激光选区烧结、激光选区熔化(selective laser melting，SLM)和电子束熔化，其中，SLM工作过程稳定，能直接成形出质量优良的结构复杂零部件，应用最为广泛[3]。

国内外学者已对SLM成形的AlSi10Mg合金做了较多研究。ABOULKHAIR等[4]概述了铝合金的研究成果(对体能量密度理论和试样性能分析的总结)，为深入研究AlSi10Mg合金提供了大量数据。赵晓明等[5]得出同一工艺参数下AlSi10Mg合金拉伸试样的水平方向塑性略优于垂直方向塑性的结论，并对其适用性做了分析。孙兵兵等[6]探究出铺粉厚度为40 μm时AlSi10Mg合金的最佳工艺参数，为工艺参数组合的探索提供了思路。目前，对AlSi10Mg合金性能的研究以单工艺参数变量[7-8]为主。还有学者研究了工艺参数组合对其他材料的影响。高飘等[9]深入探究了工艺参数组合对钛合金性能的影响；闫岸如等[10]研究了铺粉厚度对激光选区熔化纯镍打印性能的影响，在满足性能要求的前提下提高了生产效率；NGUYEN等[11]探究了不同铺粉厚度下Inconel 718试样的尺寸精度，发现铺粉厚度越小，尺寸精度越高；BUICAN等[12]分析了铺粉厚度对316-L试样性能的影响，优选了较大铺粉厚度的工艺参数组合用于零件的打印，提高了生产效率。上述研究围绕铺粉厚度展开性能分析时，并未针对零部件的功能性需求提供可行性方案，所以深入探究铺粉厚度对AlSi10Mg合金打印性能的影响，对实际生产意义重大。

本文基于铺粉厚度优选出3组工艺参数组合，重点分析了3D打印AlSi10Mg合金的硬度、耐磨性、孔隙缺陷、拉伸性能、尺寸误差和表面粗糙度。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料和成形设备

实验材料是南通金源智能技术有限公司生产的AlSi10Mg粉末，化学成分如表1所示。AlSi10Mg粉末通过气雾化方法制成，粉末粒径为15～53 μm，图1所示为扫描电镜下观察到的AlSi10Mg粉末微观形貌，颗粒球形度良好，有利于铺粉均匀密实。成形AlSi10Mg合金试样的SLM设备(HBD-280)由广东汉邦激光科技有限公司生产，最大成形尺寸为250 mm×250 mm×300 mm，配备500 W的光纤激光器，校准偏差为±0.2 W。成形过程通入高纯氩气，成形室氧含量控制在1143 mg/m3以下。

表1 AlSi10Mg粉末化学成分(质量分数)

图1 AlSi10Mg粉末的微观形貌

1.2 测试方法

用DigiRock DR3洛氏硬度仪测量试样上表面和纵截面的表面硬度(5组数据的均值)。采用工艺参数组合成形3个横截面为φ12 mm的圆柱试样，用YMPZ-1设备在0.7 MPa恒压下以500 r/min的速度摩擦横截面，摩擦材料为P120的SiC，摩擦时长为3 min，用电子天平测量试样磨损后的质量。

试样镶嵌、研磨和抛光后，用CDM-806金相显微镜观察孔隙缺陷，每个试样磨抛3次，使用Image-Pro-Plus图像软件测量孔隙缺陷的孔径。

使用C51.105电子万能拉伸实验机做室温拉伸性能实验，拉伸速率为5 mm/min。

使用 SOBEKK EPS500影像测量仪测量试样尺寸(取3次测量数据的均值)；使用Dumon TR200粗糙度仪测量试样上表面和侧表面的表面粗糙度(5组测量数据的均值)。

1.3 工艺参数与沉积速率

SLM成形采用条形分区扫描策略，基本参数设为定值：旋转初始角度为57°，旋转增量为67°，离焦量为+2.5 mm，光斑补偿为0.18 mm。基于铺粉厚度通过全面实验优选出3个工艺参数组合，如表2所示。以表2中铺粉厚度30 μm、50 μm、70 μm的工艺参数组合(简称为铺粉厚度30 μm、铺粉厚度50 μm、铺粉厚度70 μm)成形边长100 mm的立方体，成形时间分别为54.8 h、38.6 h和31.6 h，对应的沉积速率(单位时间内成形的体积)分别为18.2 cm3/h、25.9 cm3/h和31.6 cm3/h，铺粉厚度50 μm和70 μm的打印效率较铺粉厚度30 μm的沉积速率分别增大 42.3%和73.6%。成形横截面尺寸较大(长、宽、高分别为100 mm、100 mm、10 mm)的零件时，铺粉厚度30 μm、50 μm、70 μm的成形时间分别为5.5 h、3.8 h和3.2 h，对应的沉积速率分别为18.2 cm3/h、26.3 cm3/h和31.3 cm3/h，铺粉厚度50 μm和70 μm的打印效率比铺粉厚度30 μm的沉积速率分别增大 44.5%和72.0%。因此，在保证成形质量的前提下，增大铺粉厚度是提高打印效率较为有效的手段。

表2 优选出的AlSi10Mg合金工艺参数组合

2 实验结果与分析

2.1 硬度与耐磨性

硬度测量结果如表3所示，上表面和纵截面的硬度均在63HRB以上，铺粉厚度70 μm时成形试样的上表面硬度最大，大于74HRB。试样的上表面硬度随铺粉厚度的增加而增大。已有研究表明，晶粒越小，试样显微硬度越高[13]，因此随着铺粉厚度和激光功率的增大，熔池的热穿透深度增大，熔深增加，微观组织细化程度更加明显[14]，使得抵抗塑性变形的能力增大。试样纵截面的硬度随铺粉厚度的增加而减小，因为随着扫描间距的减小和激光功率的增大，熔道之间重熔区域增大，更多共晶组织析出[15]，减小了位错运动的阻力，使得抵抗塑性变形的能力逐渐下降。

表3 硬度测量结果

同一工艺参数组合下，试样的上表面比纵截面硬度高，有研究表明[16]，成形过程中，柱状晶基本沿着层间堆叠方向生长，垂直于柱状晶生长方向的性能较差，且上表面的细晶强化作用更加明显。本实验中，层间堆叠方向对应的截面为上表面，垂直于柱状晶生长方向对应的截面为纵截面，因此试样上表面要比纵截面的硬度高。

3个工艺参数组合的成形试样的上表面摩擦磨损实验结果如图2所示，随着时间的延长，质量在均匀减小，因此试样的磨损量与时间正相关，单位面积的磨损量(单位时间内每平方毫米减少的质量)均低于1.5×10-5g/(s·mm2)。从硬度分析可知，3个工艺参数组合成形的试样硬度差值在5HRB以内，对试样的摩擦磨损不会产生太大影响，所以试样的耐磨性无明显差异。

图2 摩擦磨损实验结果

2.2 孔隙缺陷

铺粉厚度30 μm、50 μm、70 μm成形的试样孔隙缺陷均以规则的圆孔为主，孔隙率(孔隙缺陷面积占试样截面面积的比例)均在0.05%以下，成形效果良好。孔隙缺陷的孔径占比分布如表4所示，孔径均在60 μm以下，其中，铺粉厚度50 μm成形试样较大孔径(超过30 μm)的孔隙缺陷占比最小，铺粉厚度70 μm成形试样的孔隙缺陷占比最大。这是因为铺粉厚度和激光功率的增大会产生更大的熔深，使得未溢出的气体集结，导致较大孔径的孔隙缺陷产生的几率增加[17]。

表4 孔隙缺陷的孔径占比

由表4可知，孔径小于20 μm的孔隙缺陷超过90%，这主要是由于熔化冷却过程中，粉末间的部分气体来不及排出，残留在试样内生成微观孔隙缺陷。另外，多次重复利用的AlSi10Mg粉末掺杂着打印时产生的微小杂质，这些杂质的熔点较高，而激光提供的能量无法将其熔化，存留在熔道搭接处或进入熔融液体内。

产生较大孔径孔隙缺陷的原因是：①激光扫描过程中产生的大颗粒高熔点熔渣粘附在已成形表面，下一层扫描时无法完全熔化形成杂质缺陷；②层间冷凝死角导致夹杂气体无法排出或未溢出气体集结，形成不规则或规则孔隙缺陷[18]，典型的孔隙缺陷形貌如图3所示。

(a)微观孔隙缺陷(b)杂质缺陷和不规则孔隙缺陷

2.3 拉伸性能

拉伸性能实验结果如表5所示，无论是水平方向还是垂直方向，3种铺粉厚度试样的抗拉强度和延伸率差距并不明显，但是铺粉厚度70 μm成形的试样屈服强度较低，这可能与自身的孔隙缺陷有关。铺粉厚度的增大使较大孔径孔隙缺陷出现的几率增大，而孔隙缺陷对裂纹的萌生起到促进作用[19]，导致试样的屈服强度降低。

表5 拉伸性能实验结果

同一工艺参数组合下，垂直方向的抗拉强度略优于水平方向，说明垂直方向的断裂抗力更好；垂直方向的延伸率低于水平方向，说明水平方向的断裂韧性更好。

2.4 尺寸误差与表面粗糙度

测试试样结构如图4所示，标号L1～L7、D1～D3和N1～N6代表测试试样内部结构的尺寸和角度。L5误差较大是因为切割试样时线切割的定位不准确，因此实际打印时一般要在基材上预打印1 mm的高度。L1～L4是台阶结构的尺寸，3个工艺参数组合在不同高度的长度误差较小，表明成形过程较为稳定。D1～D3是圆柱和圆孔的直径，D1、D2的直径误差更小，成形效果也更好，因此打印圆柱和圆孔类零件时要尽量保证其轴线与Z轴平行。

(a)三维立体图

尺寸测量结果如表6、表7所示，除标号L5外，其余标号的尺寸误差均在±0.1 mm以内，3个工艺参数组合成形的测试试样在尺寸上无明显差距，基本满足实际生产的要求。

表6 长度测量结果

表7 直径测量结果

表8所示为角度测量结果。3个工艺参数组合成形的测试试样中，标号N1、N2的角度误差都

表8 角度测量结果

大于2°。不添加支撑的情况下，30°悬垂结构的成形效果极差，挂渣现象非常明显，严重影响零件的使用性能，因此成形30°悬垂结构时要添加支撑。30°斜坡结构的台阶痕明显，影响最终的成形效果。标号N3～N6的角度误差均在±1°以内，成形效果良好，但随着铺粉厚度的增加，角度误差逐渐增大。成形零部件时，提前预估关键结构的成形能力可以有效提高生产效率，降低废品率。

图5所示为铺粉厚度30 μm的上表面和侧表面形貌。上表面能清晰看到熔道的搭接，表面粗糙度的最大值由黏附在熔道内的熔渣决定，如图5a中位置E所示，3个工艺参数组合成形的试样上表面的表面粗糙度Ra均小于4 μm。侧表面无明显的挂渣，颜色偏灰，与AlSi10Mg粉末颜色比较接近，表面粗糙度的最大值由轮廓上孔隙缺陷的大小和深度决定，如图5b中位置F所示，3个工艺参数组合成形的试样侧表面的表面粗糙度Ra均小于5 μm。由表9可发现，随着铺粉厚度的增大，试样的表面质量逐渐变差，铺粉厚度30 μm成形试样的表面粗糙度最小、表面质量最优。3个工艺参数组合成形试样的上表面的表面粗糙度Ra的差值在2 μm以内，对试样耐磨性无较大影响，这也是耐磨性无明显差异的原因之一。

(a)上表面 (b)侧表面

表9 表面粗糙度测量结果

3 结论

(1)随着铺粉厚度的增大，试样上表面的硬度增大，纵截面的硬度减小，较大孔径的孔隙缺陷出现的机率增加，但试样上表面的耐磨性无明显差异。

(2)随着铺粉厚度的增大，试样的屈服强度减小，抗拉强度和延伸率差距并不明显。

(3)随着铺粉厚度的增大，角度误差和表面粗糙度逐渐增大，尺寸误差无明显差异。打印圆柱和圆孔类零件时要尽量保证其轴线与Z轴平行。

(4)打印表面质量要求较高或结构复杂的零部件时，选择较小铺粉厚度的工艺参数组合；对零部件的综合性能要求较高时，选择中等铺粉厚度的工艺参数组合；零部件质量要求不高但打印效率要求较高时，选择较大铺粉厚度的工艺参数组合。