楊天野,崔麗,,賀定勇,黃暉

選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)作為近十年發(fā)展最快的金屬高精度增材制造(additive manufacturing,AM)技術(shù)之一,有著極高的冷卻速率(105~108K/s),成形合金晶粒極為細(xì)小,可顯著強(qiáng)化成形件的力學(xué)性能,其AM件具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、性能優(yōu)異[1]等特點(diǎn),在航空航天[2]、醫(yī)學(xué)研究[3]及醫(yī)療器械[4]中得到了一定的應(yīng)用,同時(shí)在藝術(shù)設(shè)計(jì)[5]、汽車工業(yè)[6]、國防安全[7]等國民經(jīng)濟(jì)和國家安全核心領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景。

SLM成形AlSi10Mg合金密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好[8],在航空航天、汽車輕量化制造中有廣闊的工程應(yīng)用需求。相對(duì)于其他鋁基合金, AlSi10Mg合金SLM成形性較好,目前SLM件的相對(duì)密度可達(dá)99.0%以上,抗拉強(qiáng)度可達(dá)300~420 MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)150~270 MPa,延伸率在1.5%~6.0%之間[9~12],可見,SLM成形AlSi10Mg合金力學(xué)性能顯著高于傳統(tǒng)鑄造Al-Si合金,因而受到了廣泛的重視。然而,航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用對(duì)鋁合金的強(qiáng)度有更高要求,所以目前已有的SLM成形AlSi10Mg合金難以滿足對(duì)高強(qiáng)鋁合金的需求。因此,進(jìn)一步提高SLM成形AlSi10Mg合金的力學(xué)性能成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),學(xué)者們進(jìn)行了大量的探索研究,包括添加納米碳管[13]、石墨烯[14]以及陶瓷顆粒如：TiB2[15~17]、TiC[18]、TiN[19,20]、WC[21]、SiC[22,23]等強(qiáng)化方法均有報(bào)道。不同粉末有不同的強(qiáng)化效果,其成形試樣力學(xué)性能均有一定程度的提高。然而,這些復(fù)合粉末一般采用機(jī)械混粉方法制備,要對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行二次加工,而在加工過程中會(huì)對(duì)粉末的形貌產(chǎn)生一定的影響,導(dǎo)致粉末球型度和粒徑遭到破壞,難以制備出致密和無裂紋的成形件,SLM成形工藝?yán)щy,工藝條件要求極為苛刻,難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

研究[24]發(fā)現(xiàn),SLM成形Al-Mg合金中添加稀土元素取得了很好的強(qiáng)化效果,其中最具代表性的就是添加Sc的Scalmalloy®合金。經(jīng)過熱處理后,Scalmalloy®合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)520 MPa,屈服強(qiáng)度為480 MPa,延伸率為13%。然而,稀土Sc的價(jià)格十分昂貴,在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的成本非常高,為此尋求與Sc具有相似的強(qiáng)化效果且價(jià)格低廉的稀土元素以實(shí)現(xiàn)SLM成形AlSi10Mg合金的強(qiáng)化具有重要的應(yīng)用價(jià)值。稀土Er元素在常規(guī)鋁合金中的強(qiáng)化作用已經(jīng)證實(shí)與Sc相似[25]。

為進(jìn)一步提高SLM成形AlSi10Mg合金的力學(xué)性能,采用氣霧化制粉技術(shù)原位合金化制備了AlSi10Mg-Er-Zr粉末,研究了SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr合金試樣的相對(duì)密度、微觀組織和力學(xué)性能,并探討了添加Er、Zr元素對(duì)SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr合金的強(qiáng)化機(jī)理。

1實(shí)驗(yàn)方法

AlSi10Mg-Er-Zr合金粉末采用氣霧化原位合金化方法制備,粉末粒徑為20~53 μm,采用Agilent OES 730電感耦合等離子體發(fā)光光譜儀對(duì)制備的合金粉末成分進(jìn)行了分析。為了對(duì)比強(qiáng)化的效果,同時(shí)進(jìn)行了常規(guī)AlSi10Mg合金粉末的SLM成形,2種粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表 1AlSi10Mg-Er-Zr及AlSi10Mg合金粉末化學(xué)成分 (mass fraction / %)

Table 1Chemical compositions of AlSi10Mg-Er-Zr and AlSi10Mg alloy powders

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采用M100型金屬選擇性激光熔化3D打印機(jī),基板選用Al基板,在高純度Ar氣保護(hù)下進(jìn)行打印。對(duì)于SLM工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得優(yōu)化的激光能量密度在46~76 J/mm3之間,研究了激光能量密度對(duì)試樣相對(duì)密度的影響,在優(yōu)化的SLM成形工藝參數(shù)條件下對(duì)添加Er、Zr元素的新型AlSi10Mg-Er-Zr合金以及常規(guī)AlSi10Mg合金粉末進(jìn)行SLM打印成形。

分別采用金相法和Archimedes排水法測(cè)試了試樣的相對(duì)密度,金相法即選取同一試樣的20張不同位置金相照片,通過Image-Pro plus6.0圖形軟件對(duì)照片進(jìn)行分析,確定SLM成形試樣的相對(duì)密度平均值。Archimedes排水法即通過Archimedes原理對(duì)試樣的相對(duì)密度進(jìn)行測(cè)量,分別測(cè)量試樣的干重(g)、濕重(g)以及環(huán)境溫度下水的密度(g/cm3)。Archimedes法測(cè)得的相對(duì)密度值均高于金相法,因此,相對(duì)密度數(shù)值以金相法測(cè)試所得結(jié)果進(jìn)行研究。

對(duì)制備好的試樣進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光和腐蝕,制備金相試樣,采用的腐蝕劑是Keller試劑(1%HF + 1.5%HCl + 2.5%HNO3+ 95%H2O,體積分?jǐn)?shù))。采用LEXT OLS4100激光共聚焦顯微鏡以及配有能譜儀(EDS)的GeminiSEM 300場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣的微觀組織形貌及元素分布進(jìn)行分析,采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)試樣進(jìn)行物相分析,采用S3400N SEM和NordlysNano的電子背散射衍射(EBSD)設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試,并使用Channel 5軟件對(duì)晶粒尺寸、微觀織構(gòu)以及Schmid因子進(jìn)行分析。采用Talos F200X型透射電鏡(TEM)對(duì)試樣進(jìn)行觀察分析,并通過高角環(huán)狀暗場(chǎng)(HAADF)探測(cè)器對(duì)試樣進(jìn)行進(jìn)一步分析,采用Gatan 691型離子減薄儀制備TEM試樣。

對(duì)于SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr及AlSi10Mg試樣以顯微硬度和拉伸性能進(jìn)行表征。采用HVS-1000型顯微硬度計(jì)對(duì)SLM成形試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,加載載荷為0.980 N,保荷時(shí)間為10 s,每個(gè)試樣測(cè)10個(gè)點(diǎn),通過計(jì)算均值得到Vickers顯微硬度。拉伸測(cè)試依據(jù)ASTM E8M《金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》制備室溫拉伸試樣,試樣厚度為3 mm。采用MTS810型拉伸試驗(yàn)機(jī),在室溫下以拉伸速率1 mm/min進(jìn)行拉伸測(cè)試,每種合金試樣進(jìn)行3次拉伸實(shí)驗(yàn),取3次結(jié)果的平均值為拉伸性能的數(shù)值。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1能量密度對(duì)成形試樣相對(duì)密度的影響

SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的相對(duì)密度與激光能量密度的關(guān)系如圖1所示。激光能量密度與SLM工藝參數(shù)由如下關(guān)系：

圖1

圖1AlSi10Mg-Er-Zr試樣相對(duì)密度與激光能量密度的關(guān)系

Fig.1Relationship between the relative density and the laser energy density of AlSi10Mg-Er-Zr sample

式中,E為能量密度,P為激光功率,v為掃描速率,d為層厚度,h為掃描間距。由圖可見,在能量密度46~76 J/mm3范圍內(nèi),SLM成形試樣的相對(duì)密度在96.81%~99.20%之間,相對(duì)密度隨激光能量密度的增大先增加后減少,在能量密度為57.5 J/mm3時(shí),獲得最高的相對(duì)密度為99.20%。這是由于在較低的激光能量密度下,粉末無法獲得足夠的能量,使粉末熔化不充分,SLM成形試樣中存在未熔粉末顆粒,熔池流動(dòng)性降低,試樣成形質(zhì)量較差；隨著能量密度的增加,粉末獲得了更高的能量,粉末充分熔化,且熔池內(nèi)溫度升高,增加了其內(nèi)部液態(tài)金屬的流動(dòng)性,SLM成形質(zhì)量提高；然而,隨著激光能量密度的繼續(xù)增加,過高的能量密度則會(huì)使粉末中的低熔點(diǎn)元素?zé)龘p,并且因?yàn)闊彷斎脒^高導(dǎo)致SLM成形過程中易產(chǎn)生裂紋、變形等問題[11]。由成形試樣最佳相對(duì)密度可知,最佳激光能量密度為57.5 J/mm3,此激光能量密度對(duì)應(yīng)的SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的工藝參數(shù)為：P= 92 W,v= 1600 mm/s,h= 0.05 mm,d= 0.02 mm。

2.2微觀組織

圖2為SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的宏觀組織形貌。可以看出,SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的組織致密,無氣孔、裂紋等缺陷(圖2a)。SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的上表面(X-Y面)組織呈現(xiàn)了“軌道狀”微熔池形貌,如圖2b所示。而試樣側(cè)面組織(X-Z和Y-Z面)均呈現(xiàn)了典型的“魚鱗狀”微熔池,但熔池間的深度存在明顯的差異,如圖2c和d所示。這種三維宏觀形貌與文獻(xiàn)[26]報(bào)道的SLM成形AlSi10Mg合金組織形貌一致。

圖2

圖2選區(qū)激光熔化(SLM)成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣宏觀組織形貌

Fig.2Macrostructures of AlSi10Mg-Er-Zr sample fabricated by selective laser melting (SLM)

(a) three dimension macrostructure (b)X-Yplane (c)X-Zplane (d)Y-Zplane

SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr及AlSi10Mg試樣微觀組織的SEM像如圖3所示。由圖可見,與常規(guī)AlSi10Mg試樣相同,SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr組織也是由灰色α-Al基體和白色共晶Si相組成,且呈網(wǎng)狀均勻分布。此外,2種合金試樣的組織均呈現(xiàn)了熔池中心、熱影響區(qū)及重熔區(qū)3個(gè)不同區(qū)域,但SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的組織更均勻、細(xì)小。可見,添加Er、Zr元素有效細(xì)化了AlSi10Mg-Er-Zr合金組織。

圖3

圖3SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr及AlSi10Mg試樣的SEM像

Fig.3SEM images of AlSi10Mg-Er-Zr (a) and AlSi10Mg (b) samples fabricated by SLM

2.3物相分析

圖4為SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr與AlSi10Mg試樣的XRD譜。由圖可見,2種SLM成形試樣均由α-Al和Si相組成。由于在AlSi10Mg-Er-Zr試樣中Er、Zr元素含量較少,未能達(dá)到XRD檢測(cè)的最低標(biāo)準(zhǔn)含量5%,因此未能測(cè)出含有Er、Zr元素的物相；此外,Mg元素的含量也較少,AlSi10Mg合金的強(qiáng)化相Mg2Si相也未能測(cè)出。

圖4

圖4SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr及AlSi10Mg試樣的XRD譜

Fig.4XRD spectra of AlSi10Mg-Er-Zr and AlSi10Mg samples fabricated by SLM

2.4力學(xué)性能分析

表2為SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr與AlSi10Mg試樣的力學(xué)性能對(duì)比。SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr和AlSi10Mg試樣的顯微硬度分別為(156 ± 7)和(124 ± 5) HV。可見,相對(duì)于AlSi10Mg合金,SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr的顯微硬度提高了25.8%。SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的抗拉強(qiáng)度(UTS)、屈服強(qiáng)度(YS)分別為(461 ± 4)和(304 ± 3) MPa,而常規(guī)SLM成形AlSi10Mg試樣的UTS和YS分別為(376 ± 4)和(240 ± 3) MPa。因此,相對(duì)于AlSi10Mg合金,SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了22.6%和26.7%。AlSi10Mg-Er-Zr試樣及AlSi10Mg試樣的延伸率分別為(2.5 ± 0.1)%及(2.6 ± 0.2)%,2者的差別不大,塑性均較低。較低的塑性與已有的SLM成形AlSi10Mg合金報(bào)道結(jié)果[27]一致。

表2SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr與AlSi10Mg試樣的力學(xué)性能

Table 2Mechanical properties of AlSi10Mg-Er-Zr and AlSi10Mg samples fabricated by SLM

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4結(jié)論

(1) 在優(yōu)化的SLM成形工藝參數(shù)條件下,AlSi10Mg-Er-Zr試樣的相對(duì)密度最高為99.20%,且無宏觀裂紋、孔隙缺陷,在X-Y面的宏觀組織呈現(xiàn)“軌道狀”微熔池,在X-Z面以及Y-Z面顯示為“魚鱗狀”形貌。

(2) SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣微觀組織由島狀分布α-Al基體和網(wǎng)狀均勻分布的共晶Si相組成,相對(duì)于常規(guī)AlSi10Mg試樣組織更加細(xì)小,且添加Er、Zr元素并未造成AlSi10Mg-Er-Zr合金元素的偏析。AlSi10Mg-Er-Zr試樣平均晶粒尺寸為1.3 μm,相對(duì)于AlSi10Mg試樣晶粒尺寸減小了45.8%,添加Er、Zr元素細(xì)化晶粒的效果顯著。

(3) SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣抗拉強(qiáng)度為(461 ± 4) MPa,屈服強(qiáng)度為(304 ± 3) MPa,顯微硬度(156 ± 7) HV,相對(duì)于AlSi10Mg合金,分別提高了22.6%、26.7%和25.8%。

(4) SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣的Schmid因子在0.4~0.5之間的比例為90.4%,相對(duì)于常規(guī)SLM成形AlSi10Mg試樣具有更多比例的高Taylor因子,具有更多高形變能量的Cu織構(gòu)及更少的低形變能量的Goss、Cube織構(gòu),在發(fā)生塑性變形時(shí)需要更高的外加應(yīng)力,抵抗塑性變形的能力更強(qiáng),因此SLM成形AlSi10Mg-Er-Zr試樣具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。