AlSi10Mg合金的SLM工艺控制的研究进展

AlSi10Mg合金的 SLM工艺控制的研究进展

郝玥 1 ， 秦艺萍 1 ，刘珂廷 1 ，李渝 1 ，李烨希 1

（ 1. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074）

摘要：一些形状复杂的铝合金常以AlSi10Mg合金粉末为材料，通过选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)技术制造得来，主要应用于航空、汽车等领域。本文主要讨论AlSi10Mg的SLM工艺控制点。

关键词：AlSi10Mg合金；SLM工艺；微观结构；综合性能

0 引言

铝合金具有轻质、高比强度等特点，被广泛应用于航天、汽车等行业领域的轻量化设计中。AlSi10Mg合金是Al-Si-Mg系亚共晶合金的一种，因其良好的流动性与气密性^[1]而具有较好的使用效果。随着轻量化要求的提出，合金构件的形状复杂程度提升^[2]，激光选区熔化技术是实现高性能构件复杂成型的有效途径。本文主要论述AlSi10Mg的SLM工艺控制要点。

1 SLM技术原理

SLM技术是一种以高能激光束为热源^[3]、金属粉末为原料的增材制造技术。工作原理是按照规划好的路径，激光束逐层选区熔化堆积得到组织致密的金属构件。操作人员通常利用建模软件如CAD设计模型，对三维模型进行切片处理，将文件导入SLM成型设备中。等到逐层加工完成后，将成品从基板上取下，进行热处理等后续工艺，以便得到满足性能要求的金属构件。

2 SLM技术对AlSi10Mg粉末的性能要求

粉末主要采用无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA)和等离子旋转电极雾化法(PREP)^[4,5]制备。评价指标主要包括化学成分、比表面积、粒径分布、球形度、流动度和松装密度等。SLM技术要求AlSi10Mg粉末尽可能粒径分布窄、球形度高、流动性好、氧含量低、松装密度高^[4-6]。

3 AlSi10Mg合金的SLM工艺规律

SLM工艺参数是AlSi10Mg合金的SLM过程中对试样质量影响较大的因素。常见的SLM工艺参数有扫描间距、激光功率、层厚、扫描速度、点距等，通过合理调整这些参数，能够获得组织致密的合金构件，使其呈现出较少的表面缺陷与孔洞。

3.1 SLM工艺参数对合金致密度的影响

激光功率较低时，颗粒熔化不完全导致气孔产生，从而降低合金致密度^[7]。点距较大时，激光光斑重叠面积较小，能量密度不足导致部分颗粒未能完全熔化，降低了合金致密度^[8]。扫描速度较低时，粉末飞溅产生缺陷，降低构件致密度；扫描速度较高时，熔池较浅，若此时增加扫描间距，会降低合金致密度^[9]。扫描间距较小，粉末间过度搭接形成粗大组织，影响构件致密性；扫描间距较大时，粉末未充分搭接形成缺陷^[9]；扫描间距固定时，减小层厚有利于增大构件致密度^[10]。

3.2 SLM工艺参数对合金表面和内部缺陷的影响

当激光功率过低时，粉末颗粒熔化不完全，产生气孔；当激光功率过高时，不利于熔池凝固，粉末与熔体前沿作用产生氢气，氢气形核产生气泡，从而形成气孔^[7,11]。铺粉层厚大小会影响构件的孔洞缺陷分布，高层厚下大尺寸孔洞多存在于熔池内部，低层厚下小尺寸孔洞多在熔池边界形成^[12]。而激光能量密度过高或过低都会导致孔洞或微裂纹等缺陷的形成^[8]。

3.3 SLM工艺参数对合金力学性能的影响

AlSi10Mg合金构件的力学性能是评价构件质量的关键标准之一，评级指标主要有抗拉强度、延伸率。激光功率过低或过高，都会使抗拉强度下降。随着扫描速度的增大，合金的抗拉强度以及延伸率呈下降趋势。随着扫描间距增大，熔化道搭接变差产生孔洞，同时晶粒粗化而影响拉伸性能。随着铺粉厚度的增加，试样强度略微降低^[7-12]。但总体来说，由于SLM制造中的固溶强化与细晶强化机制，SLM制造的AlSi10Mg合金试样抗拉强度要比传统铸造的AlSi10Mg合金试样高，延伸率与铸态相当。

4结语

综上所述，AlSi10Mg合金的SLM工艺控制应从原材料粉末特性、SLM工艺参数等方面入手，合理管控。

1. 铝合金的SLM工艺要求AlSi10Mg合金粉末球形度高、流动性好、粒度分布窄、氧含量低、松装密度高。

（2）SLM工艺参数对AlSi10Mg合金致密度有一定的影响。一定范围内，扫描速度较快时，增加扫描间距，所得构件致密度较低；扫描间距固定时，减小层厚有利于增大试样致密度。

（3）SLM工艺参数对AlSi10Mg合金显微组织与力学性能有一定影响，如铺粉层厚影响构件孔洞分布与大小；扫描速度增大时，构件的抗拉强度与延伸率随之下降。

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