铝合金选区激光熔化精密
成形及其在航空领域的应用
随着航空工业的快速发展,飞机及航空发动机中航空构件呈现整体化、轻量化、复杂化及精密化特征。其中铝合金铸件在航空航天等领域应用广泛,但这类复杂铝合金构件采用传统制造工艺因其冶金及尺寸缺陷多,制造尤其困难,传统制造技术已经接近极限,急需新的制备工艺。而以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术突破了产品结构形态的约束,能够直接加工出传统制造工艺方法无法加工或难以加工的非常规结构特征的复杂零部件,并可通过最优化的结构设计来显著减轻铝合金构件的重量。相比较传统的制造技术,SLM 成形技术具有成形件性能优异、结构精细、尺寸精度高等特点,从而丰富和拓展了铝合金构件的制造工艺手段,是制备该类形状复杂、高性能零件的最有前景的技术之一,已被各国优先推广应用于航空航天领域。
但国内外对 SLM 成形金属材料的研究,前期均是一直围绕难熔的高温合金、钛合金、碳钢等材料体系来展开,而对航空航天领域广泛大量使用的轻质铝合金的 SLM 成形技术则少有研究。这是因为 SLM 成形过程中铝合金粉末与激光的相互作用非常复杂,铝合金对激光超过 90%的高反射率及具有的高热导率(237 W · m–1 · K–1)、易氧化、含大量易烧损合金元素,表面张力大等材料特性使铝合金材料的 SLM 成形更难于控制,目前铝合金 SLM 成形技术的研究和应用要明显落后于其他材料。但近几年随着高功率大型SLM 成形设备的逐步推出和逐渐成熟,及其他增材制造在铝合金零件直接制造方面取得的进展,铝合金材料的 SLM 成形工艺研究也得到业内的高度重视,其发展迅速,已成为近期研究的热点。
本文主要介绍了铸造铝合金的 SLM 成形技术,总结分析了铸造铝合金 ZL1××–ZL4×× 系 4 个系列常用合金的 SLM成形工艺、SLM 成形件热处理工艺等国内外研究现状,及其在航空航天领域的工程应用,并进一步探讨了铸造铝合金 SLM 成形技术的发展趋势。
铸造铝合金材料SLM成形工艺
铸造铝合金一般具有良好的流动性,较小的收缩、热裂、冷裂倾向性和吸气性。其元素含量一般高于相应变形铝合金,且多数合金接近共晶成分。按主要加入的元素分为Al–Si 类 ZL1×× 系、Al–Cu 类 ZL2××系、Al–Mg 类 ZL3×× 系及 Al–Zn 类ZL4×× 系 4 个系列。其大多需进行热处理以强化合金、消除内应力、稳定组织和零件尺寸。在航空领域中主要应用在制造飞机的樑体、挂架、进气唇口和发动机的机匣体等,也广泛应用于制造汽车的轮毂、气缸盖、变速箱和活塞,仪器仪表的壳体等零件。
目前国内外铝合金 SLM 成形研究所采用最多的就是具有良好铸造性能和焊接性的 ZL1×× 系的 Al–Si 类合金材料,这是一类窄结晶温度范围的合金。此外,由于其合金元素 Si 含量较高,SLM 加工过程中对激光的吸收率相对较高,可减低对激光能量的需求,并且在凝固过程中可减少缺陷的产生,是比较适合于SLM 成形的一类铝合金材料。
(1)AlSi10Mg 合金。
现阶段国内外铝合金 SLM 成形工艺研究大多集中在AlSi10Mg 合金,其大致相当于国内的 ZL104 合金。应用于 SLM 成形的 AlSi10Mg合金粉末粒径大致在 1~30μm 范围内的细粉。其颗粒形貌如图1所示,很明显,其颗粒形状接近于球形,但局部存在一些“卫星球”,影响粉末的流动性。
图1 AlSi10Mg合金粉末的微观形貌
Fig.1 SEM morphology of AlSi10Mg powder
目前国内外在 AlSi10Mg 合金粉末的 SLM 成形方面做了大量的研究。研究者大多是先通过单道熔池试验去找到最适宜的熔池宽度范围,以获得形成稳定熔池的工艺参数,并以此工艺参数作为 SLM 成形的基础参数进行工艺优化研究。具体的研究内容有:工艺参数和能量密度对 SLM 成形件的致密度、微观组织及力学性能的影响,扫描方式、预热温度对 SLM 成形及变形的影响,基板材料及其表面粗糙度对合金润湿性的影响,工件摆放、氧含量等对 SLM 成形件力学性能的影响等。
其中,具有代表性的研究成果有:Kempen主要进行了不同粒度和形状的 AlSi10Mg 合金粉末的单道成形试验,探讨了AlSi10Mg 合金的 SLM 成形的可行性,试验发现:铝合金成分中 Si 含量较高的粉末对激光的吸收率也较高,润湿性也更好。并在单道成形试验的基础上进行了 AlSi10Mg 合金块体 SLM 成形工艺研究,得到了工艺区间内成形件致密度和工艺参数的关系,其最优工艺参数下的致密度大于 99%,SLM 成形试样的晶粒细至 1~2μm,但 SLM 成形件组织中仍存在大小不等的球形或多角形气孔,试验得出 AlSi10Mg 合金具有较好的 SLM成形性。
在前期试验的基础上,Kempen进一步进行了 AlSi10Mg合金 SLM 成形的力学性能研究。拉伸试样分别沿 XY 方向和 Z 方向成形,发现不同方向成形试样的拉伸强度存在各向异性,但 SLM 成形试样的力学性能均高于传统铸造方法制备的试样。而 Buchbinder为提高铝合金的 SLM 成形效率,采用最高激光功率 1kW,聚焦激光半径 97.7μm 的双模光纤激光器对 AlSi10Mg 合金进行了SLM 成形工艺研究。研究表明在保证 SLM 成形件的致密度和力学性能的前提下,通过增大扫描间距、提高扫描速度可将 SLM 成形速度从 5mm3/s提升到了 21mm3/s。Calignano研究了 SLM 成形过程中的“球化”现象,并用统计法分析了工艺参数对AlSi10Mg 合金表面粗糙度的影响。
在 AlSi10Mg 合金 SLM 成形工艺窗口,成形件的表面粗糙度主要由扫描速度决定,扫描速度较低时,表面粗糙度较小,但扫描速度过低时则会出现“球化”现象,反而恶化了其表面粗糙度。减小扫描间距有利于降低表面粗糙度。Thijs 等采用双次扫描 AlSi10Mg 合金,获得了致密度 99.8% 的 SLM 成形件,其成形试样的显微组织呈现出独特的细小胞晶 – 枝晶结构,细小 Si 相均匀分布在 α–Al 基体中,其 SLM 成形件的抗拉强度、延伸率及冲击性能等力学性能均高于 AlSi10Mg 合金铸件。Brandl 等制备了致密度大于 99%的 AlSi10Mg 合金 SLM 成形疲劳试样,尽管还存在孔隙等缺陷,但其抗疲劳强度仍高于 DINEN(德国标准协会)标准。
赵晓明等采用国产 SLM 设备研究了其成形 AlSi10Mg 铝合金的可行性,并对其性能适用性进行评价。研究发现:国产选区激光熔化成形的 AlSi10Mg 合金组织致密,晶粒细小,力学性能优于传统铸造成形的零件。其中横向性能和纵向性能相当,横向塑性略优于纵向(见表 1)。使用国产 SLM 设备成形的 AlSi10Mg 合金退火态性能与德国 EOS 公司公布的性能数据相当,说明国内对 AlSi10Mg 铝合金 SLM成形的研究和应用水平已达到国际先进水平。
表1 试样沉积态的拉伸性能
Table 1 Mechanical properties of
specimens before heat treatment
邹亚桐等为提高AlSi10Mg 合金 SLM 成形致密度,利用田口方法对影响致密度的激光功率、扫描速度和扫描间距等主要因素进行优化研究,结合孔隙形成原因和金相形貌,从能量输入的角度分析各个因素对致密度的影响规律,并引入能量密度模型,综合表征能量输入与致密度之间的作用关系。结果表明,3 个因素对铝合金 SLM 成形致密度均有显著影响,足够的能量密度输入是 AlSi10Mg 合金 SLM 成形接近全致密的必要条件,能量密度在4.0~6.0J/mm2 范围内时,致密度可达98% 以上。
陶攀等建立了一个零件尺度的模型,采用收缩体积法模拟预测了 SLM 成形 AlSi10Mg 合金悬臂梁结构的变形行为,研究了几何结构、扫描方式以及预热温度对悬臂梁结构的变形影响。SLM 成形件翘曲方向和变形趋势的数值模拟结果与试验结果一致;而且悬臂梁的壁厚越大其刚度越大,抗变形的能力越强;通过提高预热温度可以有效减小零件的变形。
(2)Al–12Si 合金。
Al–12Si 合金也是国内外 SLM研究较多的一类铝合金材料,图2是不同粒径范围的 Al–12Si 粉末微观形貌,其粒径范围在 10~100μm,颗粒的球形度较好,但也存在少量“卫星球”。Al–12Si 合金中 Si 元素含量比 AlSi10Mg 合金更高,其流动性更好。
图2 不同粒径Al–12Si粉末的显微形貌
Fig.2 SEM morphology of Al–12Si powder
在 Al–12Si 合金的 SLM 成形性研究方面,Olakanmi等研究了激光吸收率、粉末中氧含量、熔体的热导率等对 Al–12Si 合金 SLM 成形过程中的“球化”现象和氧化膜形成的影响,着重探讨了工艺参数对试样微观组织及致密化行为的影响。得出熔体的润湿性差会发生“球化”现象,而激光功率及扫描速度等工艺参数是影响 Al–12Si 合金致密度的关键因素;并引入激光能量密度 E 来综合分析工艺参数对致密度的影响,在最优的能量密度 67J/mm3 时的致密度可达到 99% 以上,而能量密度高于或低于 67J/mm3 都会出现大的孔洞,导致致密度下降。
Prashanth则主要研究了 SLM 成形 Al–12Si 合金的微观组织对力学性能的影响,试验分别采用两种不同的扫描速度进行扫描。通过改变不同的工艺参数,其成形试样的力学性能差异较大,这主要是其微观组织中晶粒大小和形貌严重影响了试样的力学性能。
Wang研究了 Al–12Si 合金 SLM成形过程中,N2、Ar 和 He 3 种不同惰性气体保护下的致密度和力学性能的差别。试验表明,3 种不同惰性气体保护下的 SLM 成形试样的致密度、显微硬度基本相同,但 He 气氛下试样的延伸率明显低于 N2 和 Ar保护时,且拉伸强度也稍低。
王梦瑶等对 Al–12Si 合金的 SLM 成形特性以及成形试样中裂纹进行了研究,揭示了成形样致密度和工艺参数的关系以及裂纹的形成机制。裂纹的形成是 Al–12Si 合金 SLM 成形过程中生成了大量共晶 Si 相,使材料的抗裂性能不足以抵抗成形过程中的高温度梯度导致的残余应力所致。通过调整成形工艺参数,可得到无裂纹的性能良好的成形零件。
白培康等认为铝合金对激光的反射率高是造成 SLM 成形铝合金产生的“球化”现象的根本原因,通过采用 X–Y 交叉扫描的方式可减少“球化”缺陷。
(3)AlSi7Mg 合金。
Nakamoto 等研究了 SLM 工艺参数对 A356(AlSi7Mg0.3)合金试样致密度、显微组织和力学性能的影响,A356 合金沉积态的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为 400MPa、200MPa 和 12%~17%。刘婷等对AlSi7Mg 合金进行 SLM 成形工艺研究,主要研究了能量密度对 AlSi7Mg合金致密度、显微组织、Si 析出形态及力学性能的影响,揭示了AlSi7Mg合金 SLM 成形熔池内温度场和速度场等物理冶金机制,发现:SLM 成形 AlSi7Mg 构件中 Si 颗粒尺寸十分细小、呈良好的弥散状态、以规则网状分布,但能量密度过高时 Si 颗粒会发生粗化,不利于合金强韧化。在激光能量密度200J/m 下,SLM 成形AlSi7Mg 合金的力学性能比传统铸造或粉末冶金方法的显著提高 20%以上,AlSi7Mg 合金的拉伸强度达475.8 MPa,延伸率 6.4%,显微硬度165HV。
更为有意义的是:肖波、刘志权等对航空铸造应用最广的ZL114A 合金进行了 SLM 成形工艺研究,获得了 ZL114A 合金 SLM 成形的最优成形工艺区域,其最优参数下致密度达到 99.3% 以上,并进一步研究了激光能量密度对 ZL114A 合金微观组织和力学性能的影响。在能量密度为 100J/mm3,水平摆放下ZL114A 合 金 的 SLM 成 形 试 样 的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为 400MPa、241.7MPa 和 5.7% ;而此时竖直方向上试样抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为317.9MPa、165.3MPa 和 5.9%,表现出水平方向明显高于垂直方向的各向异性。
综上,目前国内外对 SLM 成形ZL1×× 系铝合金的研究还主要集中在 AlSi10Mg、Al–12Si 和 AlSi7Mg等材料方面,AlSi10Mg 的研究相对于其他铝合金材料更为成熟,SLM成 形 的 AlSi10Mg 合 金 达 到 接 近100% 的致密度,晶粒细小,无缩孔及区域偏析,其拉伸强度大于 400MPa,均高于传统铸造成形方法,但对其他牌号铸造 Al–Si 合金的研究相对较少。而对铸造 Al–Si 合金 SLM 成形特性的研究则主要集中在致密度、显微组织和力学性能方面,而缺少对SLM 成形过程中存在的“球化”、氧化膜、飞溅、裂纹等缺陷形成机理的深入研究。
ZL2×× 系 Al–Cu 合金由于它的高强度,优异的疲劳性能和损伤容限也广泛应用于航空工业。Al–Cu 系合金属于固溶型,其结晶温度间隔较宽,铸造过程中易出现热裂、疏松、偏析等缺陷。为减少其加工步骤和提高物理和化学性能,更多的加工技术应用于成形 Al–Cu 合金。近几年,SLM 成形也开始应用于 Al–Cu 合金,以期通过最少的后期加工得到优异的性能,提高效率,节约成本。相对于 Al–Si 系合金,有关 ZL2××系高强铝合金的 SLM 成形技术研究要少很多。
2011 年,德国 Bartkowiak 等率先开展了其自主研发的 Al–Cu 系、Al–Zn 系高强铝合金 SLM 成形性的研究,采用的也是单道熔池成形试验,通过分析熔池形貌和润湿角等证明了高强度 Al–Cu 系、Al–Zn 系铝合金的 SLM 成形具有可行性。此后,有 关 高 强 铝 合 金 SLM 成 形 的研究也逐渐引起了业界重视。
梁小文等进行了ZL205A合金粉末的 SLM 成形工艺研究,通过正交试验获得了 ZL205A 合金粉末 SLM 成形的最优化工艺参数,其对应的致密度可达 98%,但其拉伸试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别只有281MPa、221MPa 和 4.2%。ZL205A合金 SLM 成形时易“球化”,表面质量较差,大尺寸“球化”颗粒较多,且存在明显的热裂纹(图3),这可能是导致其成形件力学性能不高的主要原因。