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利用激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)制備厚度為0.1~0.8mm的AlSi10Mg鋁合金薄板以及內(nèi)腔間隙為0.5mm的中空板，研究了薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的可行性及成形件的力學(xué)性能。結(jié)果表明：SLM技術(shù)能夠成形出壁厚0.2mm以上的薄板以及空腔間隙0.5mm的空心板，但厚度0.5，0.6mm的薄板出現(xiàn)空心現(xiàn)象，通過減小光斑尺寸及調(diào)整輪廓工藝參數(shù)進(jìn)一步提高了SLM成形薄板的精度，避免出現(xiàn)空心薄板；SLM成形薄板及經(jīng)T6熱處理后的抗拉強(qiáng)度均超過200MPa，0.7mm厚試樣的力學(xué)性能較好；采用試驗(yàn)用SLM參數(shù)能夠打印出薄壁、封閉腔散熱器產(chǎn)品。

01、試樣制備與試驗(yàn)方法

      試驗(yàn)原材料為AlSi10Mg鋁合金粉末，形貌如圖1所示?？梢姺勰┬蚊矠榻鼒A形或橢圓形，粒徑在15~53μm。

圖1 AlSi10Mg鋁合金粉末形貌

     使用雷尼紹AM250激光選區(qū)熔化設(shè)備制備AlSi10Mg鋁合金板。基于團(tuán)隊(duì)前期研究結(jié)果選取工藝參數(shù)。首先進(jìn)行不同厚度實(shí)心薄壁板成形可行性試驗(yàn)，共計(jì)8片試樣。然后采用SLM技術(shù)成形中空薄壁板，共計(jì)7片試樣。最后制備7組薄板室溫拉伸試樣，試樣形狀和尺寸如圖2所示，設(shè)計(jì)厚度為0.1~0.7mm，每個(gè)厚度下分別成形6根平行試樣。通過線切割機(jī)將拉伸試樣取下，對(duì)其表面打磨以去除黏渣等雜質(zhì)，每組取3根試樣進(jìn)行T6熱處理。按照GB/T 228.1—2010，使用Instron萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)成形態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，并與常規(guī)厚度(2mm)試樣進(jìn)行對(duì)比。激光選區(qū)熔化縱向力學(xué)性能一般最低，故測(cè)試縱向力學(xué)性能。

圖2 薄壁拉伸試樣的形狀及尺寸

     對(duì)薄板試樣截面進(jìn)行磨拋處理,用Keller溶液腐蝕約20s，利用NOVA navoSEM 450型掃描電子顯微鏡觀察顯微組織。

02、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1薄板SLM成形可行性

     由圖3(a)可以看出，0.2~0.8mm厚的AlSi10Mg鋁合金薄板均可成形，但0.5、0.6mm厚薄板兩側(cè)輪廓發(fā)生剝離出現(xiàn)輕微空心現(xiàn)象。此外，0.1mm薄板的實(shí)測(cè)厚度約為0.2mm，說明試驗(yàn)所用激光選區(qū)熔化技術(shù)可成形薄板的壁厚最小為0.2mm。間隙為0.5mm的中空薄板亦均可成形，但0.5、0.6mm厚中空薄板兩側(cè)板壁同樣出現(xiàn)空心現(xiàn)象。

圖3 不同設(shè)計(jì)壁厚下AlSi10Mg鋁合金薄板的SLM 成形宏觀形貌

2.2、薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形原理

     如圖4所示，薄板的SLM成形包括輪廓掃描和實(shí)體掃描兩個(gè)步驟，即激光束實(shí)際掃描的路徑包括輪廓及內(nèi)部填充實(shí)體兩部分。輪廓可以多次掃描，此處只分析輪廓掃描一次的情況。圖4中d0、h0、h1均可以通過工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，但受到光斑尺寸限制；理論上光斑尺寸越小，上述參數(shù)取值越小。薄板兩側(cè)輪廓通常都需要進(jìn)行掃描，但實(shí)體部分視d2大小決定是否掃描。

圖4 薄板SLM成形原理示意

     由圖5結(jié)合成形原理分析可知：當(dāng)B0不大于0.67mm時(shí)，薄板成形過程中激光束只掃描兩側(cè)輪廓，但當(dāng)B0在0.1~0.4mm時(shí)，輪廓兩道掃描間距可由光點(diǎn)補(bǔ)償覆蓋，兩道輪廓可以重疊，薄板為實(shí)心；當(dāng)B0在0.5~0.6mm時(shí)，光點(diǎn)補(bǔ)償不能覆蓋輪廓兩道掃描間距，輪廓分離，薄板出現(xiàn)間隙；B0為0.7，0.8mm時(shí)，激光束開始掃描實(shí)體，將薄板填充為實(shí)心。由表1可以看出，成形試樣的實(shí)測(cè)壁厚B1與理論壁厚B0相符合。

圖5 厚度0.1~0.7mm薄板的SLM成形過程

表1 實(shí)心薄壁板的成形尺寸

    綜上可知，決定SLM薄板成形的主要參數(shù)為d1和h1，兩者均由光斑直徑?jīng)Q定。理論上，在薄板壁厚不小于粉末尺寸的情況下，SLM薄板成形極限尺寸由d1決定，光斑直徑越小，d1越小。通過使用小光斑激光器可以提高SLM技術(shù)的精密成形能力；通過變光斑技術(shù)，在輪廓區(qū)域使用小光斑可以提高精度，在實(shí)體區(qū)域使用大光斑高功率可以提高成形效率。此外，理論上通過設(shè)置使d1=h1，可以避免空心薄板出現(xiàn)的情況。

2.3顯微組織

     選取設(shè)計(jì)壁厚為0.1mm(實(shí)際壁厚0.2 mm)的試樣進(jìn)行顯微組織分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知SLM成形薄板試樣組織致密，不存在孔洞在層間分布的現(xiàn)象；共晶硅相呈短纖維狀沿晶界分布，且其表面光滑，無明顯棱角。

2.4薄板室溫拉伸性能

     由圖6可知：0.1~0.7mm設(shè)計(jì)厚度的SLM成形試樣及其經(jīng)T6熱處理后的抗拉強(qiáng)度均超過200MPa，雖然總體上略低于常規(guī)厚度試樣，但仍具有可觀的強(qiáng)度，說明薄壁結(jié)構(gòu)成形件力學(xué)性能良好，可滿足眾多非承力功能器件的使用要求；0.1~0.6mm厚SLM成形試樣的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相近，較0.7mm的低，表明SLM過程中掃描實(shí)體內(nèi)部可以在一定程度上提高薄板的強(qiáng)度；T6熱處理后薄板試樣強(qiáng)度略有降低，塑性得到提高，符合一般的熱處理影響規(guī)律，T6熱處理對(duì)薄板零件同樣適用。

圖6 不同設(shè)計(jì)厚度SLM成形態(tài)及T6熱處理態(tài)AlSi10Mg鋁合金薄板的室溫拉伸性能

2.5薄壁封閉腔結(jié)構(gòu)散熱器產(chǎn)品試制

     基于上述成形性及力學(xué)性能研究，作者對(duì)翅片均溫板散熱器零件進(jìn)行了一體化打印測(cè)試，其三維模型如圖7所示。散熱器零件SLM成形實(shí)物如圖8所示，可見零件成形效果良好，內(nèi)部粉末可通過清粉口清除，表明激光選區(qū)熔化技術(shù)可應(yīng)用于薄壁類及中空內(nèi)腔薄板類產(chǎn)品的研制。

圖7 中空內(nèi)腔薄壁翅片均溫板散熱器結(jié)構(gòu)示意

圖8 中空內(nèi)腔薄壁翅片均溫板散熱器SLM成形實(shí)物

03、結(jié)論

     (1) 試驗(yàn)采用的激光選區(qū)熔化工藝可成形壁厚0.2mm以上的AlSi10Mg鋁合金薄板以及壁厚0.2mm以上、內(nèi)腔間隙為0.5mm以上的中空薄壁板；板厚小于0.7mm時(shí)由兩側(cè)輪廓掃描形成薄板，無實(shí)體掃描填充，板厚大于0.7mm時(shí)有實(shí)體填充；厚度0.5，0.6mm的薄板出現(xiàn)空心現(xiàn)象，通過減小光斑尺寸及調(diào)整工藝參數(shù)可進(jìn)一步提高SLM技術(shù)成形精度，避免出現(xiàn)空心薄板；采用試驗(yàn)工藝參數(shù)可成功打印出薄壁、封閉腔散熱器產(chǎn)品。

     (2) SLM成形AlSi10Mg鋁合金薄板組織致密，表面光滑的共晶硅相呈短纖維狀沿晶界分布；SLM成形拉伸試樣及其經(jīng)T6熱處理后的抗拉強(qiáng)度均高于200MPa；T6熱處理后試樣強(qiáng)度降低、塑性提高，T6熱處理適用于該薄板零件。