基于粉末床技術(shù)的增材制造AlSi10Mg合金研究進(jìn)展

前言

作為輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，鋁合金由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐磨性好、耐腐蝕性強(qiáng)以及高導(dǎo)電導(dǎo)熱率等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械以及能源等領(lǐng)域。其中AlSi10Mg合金作為Al-Si系中的亞共晶鋁合金，由于其良好的鑄造性、可焊接性、相對(duì)較低的熔點(diǎn)以及較低的成本，是應(yīng)用最廣泛的一種金屬結(jié)構(gòu)材料之一。

然而，由工藝參數(shù)所引起的孔隙裂紋等缺陷、獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響打印部件性能仍是SLM面臨的主要問題。而在EBM制造AlSi10Mg合金中，由元素蒸發(fā)所導(dǎo)致的強(qiáng)度下降則是其主要問題，且技術(shù)應(yīng)用較少。

本文將總結(jié)兩種粉床熔融增材制造技術(shù)（SLM和EBM）在AlSi10Mg上的應(yīng)用現(xiàn)狀、研究難點(diǎn)及其綜合對(duì)比，揭示不同技術(shù)打印AlSi10Mg合金的顯微組織和力學(xué)性能差異。

激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）

激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）是應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)之一，以高能激光束為能量源，逐層選區(qū)熔化成型，當(dāng)每熔化成形一層后，平臺(tái)下降，送粉機(jī)構(gòu)再次鋪粉，反復(fù)鋪粉-熔化-成形-鋪粉這一過程，最終得到近形狀部件，其基本工作原理如下圖。

對(duì)SLM-AlSi10Mg合金而言，其展現(xiàn)了比砂型鑄造并時(shí)效后（抗拉強(qiáng)度約260MPa，斷裂伸長(zhǎng)率約3%）更高的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率（抗拉強(qiáng)度約380MPa，斷裂伸長(zhǎng)率約12%）。

由于SLM技術(shù)中超快的加熱冷卻速率和巨大的溫度梯度，這與傳統(tǒng)鑄造的冶金特性差異非常大，形成了獨(dú)特的顯微組織結(jié)構(gòu)。雖然總體力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造所獲得的構(gòu)件，但也帶來了一些新的挑戰(zhàn)。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM）

電子束選區(qū)熔化（EBSM）或稱電子束熔化（EBM）技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于Ti合金、高溫合金、高熵合金和不銹鋼中。而鋁合金應(yīng)用非常少，原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）EBM技術(shù)難度大，成本高是主要原因；

（2）EBM技術(shù)主要還是聚焦于昂貴的、難加工的、難熔合金的制造，相較于上面各種合金應(yīng)用，鋁合金整體制造技術(shù)比較成熟且成本較低。

相較于SLM技術(shù)，EBM在高真空環(huán)境中，采用聚焦電子束來逐層選擇性熔化金屬粉末層，并且在每次熔化粉末層前都會(huì)使用離散電子束對(duì)每層進(jìn)行預(yù)熱，這樣有效降低了殘余應(yīng)力，有效減小了打印過程中的熱裂傾向。EBM裝備和基本工作原理如下圖所示。

SLM和EBM-AlSi10Mg

顯微組織和力學(xué)性能對(duì)比

試驗(yàn)采用氣霧化合金粉末，金屬粉末化學(xué)成分如下表。表中同時(shí)也給出了兩種工藝制造AlSi1Mg合金打印態(tài)的成分。經(jīng)對(duì)比，EBMedAlSi10Mg打印態(tài)合金中Mg元素明顯下降，且后續(xù)微觀組織分析顯示并未出現(xiàn)強(qiáng)化相Mg2Si的析出。

顯微組織對(duì)比

SLMed和EBMed-AlSi10Mg顯微組織中最主要的區(qū)別在于SLM中的典型的“魚鱗狀”熔池微觀特征以及網(wǎng)狀Si結(jié)構(gòu)。而在EBMed表現(xiàn)為在Al基體中鑲嵌具有圓角和圓滑邊緣的細(xì)小島狀分散Si顆粒（約0.5~2μm），此外還有一些桿狀的AlFeSi彌散分布。在掃描電鏡觀察下，兩類SLMed和EBMed的AlSi10Mg合金微觀組織分別如下圖所示。