铝合金激光选区熔化成型能力研究

　　摘要:为了探究激光选区熔化(SLM)技术在无支撑条件下铝合金零件的工艺成型能力，为后续基于铝合金SLM技术的结构设计奠定基础，开展了系列典型工艺单元件的设计与制造。在综合考虑零件摆向方位、悬端角度、开孔形状与大小等因素的基础上，采用Xline2000R设备在优化的工艺参数下选用AlSi10Mg粉末对这些典型工艺单元件进行激光选区熔化。通过典型工艺单元件的制造研究，得出了系列能够指导基于铝合金SLM技术进行结构设计的有益结论。该研究为后续基于铝合金SLM技术进行复杂零件的设计与制造奠定基础。

　　关键词:激光技术;成型能力;激光选区熔化;AlSi10Mg;结构设计

　　铝合金密度小、比强度高，具有优良的导电性、导热性及抗蚀性，在工业上广泛使用，尤其在航空航天领域，由于结构轻量化的需求，更是广泛采用。针对结构拓扑优化技术的发展和结构功能一体化的趋势，传统的铝合金制造技术已难以满足复杂形状零件的制备需求。激光选区熔化(SLM)是基于分层-叠加制造的原理，将三维CAD模型进行分层处理，利用激光选区熔化成型[1]。目前针对SLM成型所用的金属材料研究主要集中于钛合金、高温合金和不锈钢等，并在应用方面取得了一定的进展[2-5]。

　　然而对铝合金材料成型方面的研究尚处于起步阶段。由于铝合金密度小、流动性差、激光反射率高、易氧化等特点，对成型过程带来极大困难。[6-8]对于SLM成型的零件，无需模具和工装，理论上可以成型任意复杂的金属零件，但是如果设计有悬伸部分，即有在未熔粉末的顶部进行熔融加工的位置，则需要设计支撑才能完成加工，这些支撑会增加加工时间，消耗更多材料，而且需要额外的后处理来进行移除，如果支撑存在某些可达性很差的区域，则将面临后续支撑无法去除的问题[9]。

　　目前，国内外对无支撑条件下SLM成型能力的研究较少，尤其针对铝合金的SLM结构成型，还没有相关系统的研究，没有相关的结构成型数据供结构设计人员参考。张晓刚等研究了工艺参量对SLM纯铜粉末成形件尺寸精度的影响[10];姜献峰等使用316L不锈钢粉末进行SLM成型，研究了零件不同成型角度对其机械性能的影响[11]。

　　卢建斌等对SLM成型悬垂面质量的影响因素进行了分析[12];朱小刚等研究了SLM铝合金直接成型不同倾斜角度倾斜面的成形质量[13];吴根丽等采用Ti6Al4V金属粉末，研究了倾斜角度、扫描策略对悬垂结构SLM成形质量的影响[14];杨永强等采用不锈钢粉末，研究了SLM中不同激光功率、扫描速度、铺粉装置、离焦量和层厚对成型效果的影响[15];杨雄文等采用不锈钢粉末进行SLM成型，研究了系列典型几何特征的尺寸精度及成型能力[16]。

　　以上主要针对金属粉末的SLM直接成型能力进行了相关研究工作，但是手段均比较单一，尤其是对铝合金成型能力的研究，没有考虑多种因素耦合情况下的结构成型能力。本文设计了系列典型工艺单元件，综合考虑零件摆向方位、悬端角度、开孔形状与大小等因素，采用AlSi10Mg铝合金粉末对其SLM成型，并对其成型精度和成型质量进行了分析，得出了系列能够指导后续基于铝合金SLM技术进行结构设计的有益结论。

　　1实验规划

　　1.1实验设备和材料

　　实验设备为ConceptLaser公司的Xline2000R，为目前世界上最大的激光金属铺粉打印设备，其最大打印尺寸为800mm×400mm×600mm。实验材料为AlSi10Mg粉末，粉末颗粒分布范围为0～50μm。

　　1.2实验方法

　　在考虑零件摆向方位、悬端角度、开孔大小形状等因素基础上，规划了以下三类工艺单元件:第一类为不同倾角的带圆孔和三角形孔的平板件;第二类为薄壁长端件;第三类为典型悬端件。由于SLM成型过程中铺粉刷头始终自左向右(沿x向)进行铺粉，故考虑铺粉刷头对成型的影响，选取了x、-x以及y三个摆放方位，其中x向为铺粉方向，-x为逆铺粉方向，y向为垂直铺粉方向。

　　所有工艺单元件均采用Xline2000R进行制造，扫描形式为双向扫描，扫描策略为岛屿扫描，岛屿大小为50mm×50mm，初始岛屿旋转角度为45°，岛屿x、y偏移量为1mm。经过前期多轮材料级样件的试制，以保证成型的样件具有较低的孔隙率及较好的力学性能。

　　2结果与分析

　　2.1带圆孔和三角形孔的平板件成型效果分析

　　2.1.1SLM成型粗糙度及尺寸精度分析

　　带小圆孔的平板，其宽度理论尺寸为20mm，厚度理论尺寸为5mm，选取成型后倾角为30°～90°(步进值为15°)的平板进行表面粗糙度及尺寸精度分析。测量成型后小圆形孔平板的上、下表面粗糙度及宽厚尺寸，偏差量以实测尺寸与理论尺寸之差作为定义，得出以下结论。在不考虑摆放方位因素情况下。

　　可以看出上表面粗糙度随角度变化影响不大，基本保持在10～20μm;而下表面粗糙度随角度变化影响剧烈，在平板倾角在45°～90°时，粗糙度基本保持在10～20μm，而在平板倾角小于45°时，粗糙度值呈线性急剧加大，在倾角最小30°时达到53μm。其主要原因是下表面为悬空面，下部无支撑，倾角越小，其表面成型质量越低。

　　不考虑摆放方位因素情况下，厚度偏差、宽度偏差随平板倾角的变化关系图。可以看出厚度偏差随倾角变小而增大，其主要原因是:下表面为悬空面，下部无支撑，倾角越小，其表面成型质量越低，出现挂渣现象，从而影响厚度方向的尺寸精度;而宽度方向则没有悬空面，故宽度偏差受倾角变化基本无影响，其偏差量在0.02mm以内。

　　2.1.2SLM悬孔成型质量分析

　　(1)圆孔成型研究不同垂悬角度及不同摆放方向对圆孔大小的成型质量影响。其中圆孔直径为4、6、8、10、15、20mm。可以看出圆孔直径在4～8mm时，圆孔的成型质量较好，圆孔上表面仅出现轻微挂渣现象;圆孔直径在10～20mm时，随着孔径的加大，圆孔的成型质量愈来愈差，且发生明显视觉失真，圆孔上表面出现明显挂渣及缺肉现象。而且圆孔挂渣缺陷程度随着平板倾角的变小而递增。

　　将内孔缺陷等级分为4类，每一等级对应相应分值，根据评分结果可以看出:4、6、8mm的圆孔成型质量较好，且基本不受倾角及摆向方位的影响;10、15、20mm的圆孔成型质量较差，且随着倾角变大成型质量变低;从摆向方位来看，x向成型质量最好，y向次之，-x向最差。

　　3结语

　　通过SLM进行系列典型工艺单元件的设计与制造，对其成型能力进行了相关分析与研究，得到了系列有益结论，为后续指导基于铝合金SLM技术的结构设计提供参考。

　　(1)悬面成型质量受主要受倾角影响，倾角越大，悬面端的成型质量(粗糙度、厚度精度)越差，且超过45°时，成型质量急剧下降，并会明显出现表面掉渣等缺陷，导致表面粗糙度剧增。

　　(2)非悬面成型质量良好，尺寸精度可保证±0.02mm以内，粗糙度10～20μm。

　　(3)结构开孔大小在10mm以内直接成型质量较好，超过10mm则出现较大缺陷，需要添加支撑或者调整激光能量来保证成型。

　　(4)悬面上的悬线与水平夹角应保证38°以上。

　　(5)沿铺粉方向(x)打印质量最好，沿垂直铺粉和逆铺粉方向(y，-x)其次。

　　(6)避免设计壁厚小于1.5mm的薄壁长端件，成型将产生较大变形。

　　(7)结构倒圆角尺寸R1～R10均可成型，内表面粗糙度随圆角变大而变大。

　　(8)水平桥梁长度在5mm可以成型，水平悬臂长度在2mm以内可以成型，内表面粗糙度随悬端长度变大而变大。

　　参考文献

　　[1]FrazierWE.Metaladditivemanufacturing:areview[J].Mater.Eng.Perform，2014，23(6):1917-1928.

　　[2]BadrossamayM，ChildsTH.Furtherstudiesinselectivelasermeltingofstainlessandtoolsteelpowders[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2007，47(5):779-784.

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