智能化激光选区熔化增材制造工艺参数数据接口规范

铝合金性能优良，广泛应用于航天领域。然而，随着航天产品技术水平的不断提高和研制周期的不断缩短，对复杂精密铝合金构件的制造技术提出了越来越高的要求，不仅要求具有高效、快速制造能力，而且还要具有随航天装备设计变化而变化的快速响应能力以及对复杂精密构件生产制造的灵活适应性。

激光选区熔化（简称SLM）技术，恰恰就能满足上述需求。该技术不存在加工死角，尤其是适合制造具有薄壁、多孔结构、悬垂结构、复杂内流道以及异型曲面等结构特征的复杂结构零件。

那么，使用这一方法制造出的铝合金性能如何呢？制造过程中有哪些注意点呢？今天，就让我们通过一个试验来帮助我们仔细探寻一番。

试样制备

1.试样原料：采用气雾化设备生产的AlSi10Mg铝合金粉。

2.化学成分：见表1。

3.原料形貌：粉体颗粒基本呈球形，粒径范围为20~63μm，形貌见图1。

4.成型设备：AM250型激光选区熔化增材制造设备，棋盘式网格扫描方式，垂直于铺粉层的方向为SLM成形方向。

图1 AlSi10Mg铝合金粉末微观形貌

试验方法

1.截取10mm×10mm×8mm的金相试样和密度测试试样，10mm×10mm平面分别平行于、垂直于SLM成形方向；

2.显微组织观察；

3.排水法测密度及相对密度；

4.根据GB/T 228-2001进行拉伸试验；

5.根据GB/T 229-1994进行冲击试验。

图2 拉伸试样形状尺寸

试验结果

1.显微组织

由图3可见，在试样平行于SLM成形方向的表面上，可见白色的穿插相邻熔池区内生长的柱状晶，柱状晶沿SLM成形方向生长，排列整齐；熔池区内部分分布着的较暗组织为细小均匀的共晶组织。

在试样垂直于SLM成形方向的表面上，熔池呈现拉长的椭圆形，根据棋盘式扫描的方向，在不同棋盘格内熔池长边呈现不同方向的排列；放大后可见最后凝固区域靠近熔池边缘，且在熔池边缘区域或最后凝固区域的边缘发现较为明显的沉淀相。

图3 SLM成形铝合金在不同方向上的显微组织

2.密度

由表2可知，当10mm×10mm平面垂直于SLM成形方向时，试样的相对密度达到98.5%，高于平行于SLM成形方向截取试样的97.78%，可见在SLM成形方向上的致密性相对较差。

3.力学性能

由表3可以看出，长度垂直于SLM成形方向试样的综合性能优于平行于SLM成形方向的。这主要是由于平行于SLM成形方向为层状堆叠结构，层与层之间的结合力较弱。此外，由GB/T 15115-1994《压铸铝合金》可知，YLAlSi10Mg铝合金铸件的抗拉强度为220MPa，断后伸长率为2%，由此可见，AlSi10Mg铝合金SLM成形件的综合性能全面优于铸件的。

4.倾斜面的成形质量及机理

SLM成形过程是一种逐层累加的制造过程，为了能够获得致密的优质零件，激光穿透距离应大于铺粉层厚度。但是在成形大角度倾斜面时，又会导致激光穿透影响到非成形区粉体颗粒。

由图4可以看出，零件的设计轮廓与分层轮廓并不一致。对于分层轮廓而言，大角度倾斜面在分层切片后被简化为台阶面，于是每一层均会产生水平悬空部分，水平悬空部分的长度L为：

L=h·tanα（1）

式中：h为铺粉层厚度；α为倾斜角度。

试验时的铺粉层厚度为0.025mm，因此，水平悬空部分的长度与倾斜角度有关，水平悬空部分的长度对于倾斜试样能否成形以及倾斜面成形质量起到重要作用。

图4 激光深穿透非成形区粉末颗粒

由图5可以看出，当α≤45°时，单层悬空部分的长度较小，倾斜面不仅能够成型而且成形质量较好；当α=50°时，倾斜面发生了一定程度的翘曲变形；当α≥55°时，倾斜面发生了坍塌，并且随着倾斜角度的增大，单层水平悬空部分的长度也随之而增大，坍塌现象变得越来越严重。

因此，对于大角度倾斜面成形而言，有必要在倾斜面下表面添加支撑，尽量减小激光穿透与悬空部分对于SLM成形质量造成的不利影响。

图5 不同倾斜角度倾斜面的成形效果

结论

（1）SLM成形AlSi10Mg铝合金时，在平行于SLM成形方向上，存在穿插相邻熔池分布的柱状晶以及均匀分布在熔池内部的共晶组织；在垂直于SLM成形方向上，熔池呈拉长的椭圆形，在熔池边缘区域或最后凝固区域的边缘发现较为明显的沉淀相。

（2）沿垂直于SLM成形方向截取试样综合性能高于平行于SLM成形方向的。

（3）在倾斜角度α≤45°时，倾斜面不仅能够成形而且成形质量较好；在倾斜角度α=50°时，倾斜面上发生了一定程度的翘曲变形；在倾斜角度α≥55°时，倾斜面发生了坍塌，并随着倾斜角度的增大变得越来越严重，进行大角度倾斜面SLM成形时需要添加支撑。

选自：《机械工程材料》 Vol.41 2017.2

作者：朱小刚，工程师，上海航天设备制造总厂