韓瀟，康楠，焦建超，王超

(1.北京空間機(jī)電研究所，北京，100094；2.先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100094；3.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710072)

隨著空間光學(xué)遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率輕質(zhì)空間光學(xué)相機(jī)已成為各國(guó)研究熱點(diǎn)。光學(xué)反射鏡是決定空間相機(jī)的地面分辨率和其他光學(xué)特性的關(guān)鍵部件，對(duì)材料及加工制造工藝的要求極為苛刻[1]。由于鋁合金易于加工制造且成本較低，已成為空間相機(jī)結(jié)構(gòu)及光學(xué)反射鏡較為常用的材料。對(duì)于鋁合金反射鏡，制備工藝和性能是首要考慮的關(guān)鍵問題[2-3]。增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形成為可能，利用金屬增材制造技術(shù)制備鋁合金鏡坯及其支撐結(jié)構(gòu)，能夠大幅度提升光機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化程度。同時(shí)，光學(xué)元件與支撐結(jié)構(gòu)采用同種材料也可以降低光學(xué)鏡頭對(duì)溫度變化的敏感性[4]。近年來(lái)，AlSi10Mg 合金因其具有良好的粉末流動(dòng)性、優(yōu)異的氣密性且成形過(guò)程不易產(chǎn)生熱裂紋的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種繼TC4 鈦合金后被廣泛研究與應(yīng)用的增材制造金屬材料。作為一種高精度金屬增材制造成形方法，選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)在復(fù)雜零件制造方面越來(lái)越受到關(guān)注[5]。本文利用SLM 技術(shù)直接通過(guò)鏡坯的CAD 模型成形AlSi10Mg 鋁合金反射鏡鏡坯，并進(jìn)一步表征其顯微組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)和表面性能。

1 試驗(yàn)方法

本研究中使用的金屬粉末為江西寶航有限責(zé)任公司(BAM LTD)生產(chǎn)的氣體霧化AlSi10Mg 粉末，粉末組分見表1。圖1所示為粉末形貌的SEM照片，可見粉末球形態(tài)較均勻，平均粒徑為30.26 μm(在20～60 μm 范圍內(nèi))。所有試樣均利用FS271M 選區(qū)激光沉積系統(tǒng)制備，該系統(tǒng)采用Yb光纖激光器，激光功率為500 W，激光光斑直徑為70 μm，成形過(guò)程均在Ar氣氛中進(jìn)行，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%。SLM 工藝參數(shù)如下：激光功率為200 W，掃描速度為1 000 mm/s，鋪粉層厚度為30 μm。試樣成形后，從基板移除零件之前，進(jìn)行300 ℃/2 h 退火處理，消除成形過(guò)程中由于快速凝固導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。

利用光學(xué)顯微鏡(OM，型號(hào)為Keyence VHZ50L)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，型號(hào)為Zeiss Gmini500)觀察成形樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)。利用阿基米德排水法測(cè)定試樣相對(duì)密度。拉伸樣品尺寸參考GB/T 228.1—2010，通過(guò)室溫下的拉伸試驗(yàn)(Instron-3382 萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī))測(cè)試熱處理前后的樣品力學(xué)性能，拉伸速率為1 mm/min。通過(guò)顯微硬度計(jì)測(cè)量樣品的維氏硬度，正四棱錐金剛石壓頭的面夾角為136°，在壓頭施加10 N 壓力并在室溫下保持10 s，對(duì)每個(gè)樣品測(cè)量5個(gè)不同位置的維氏硬度，取平均值。

表1 AlSi10Mg 粉末組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of AlSi10Mg powder%

圖1 AlSi10Mg粉末SEM 照片F(xiàn)ig.1 SEM micrograph of AlSi10Mg powder

鋁合金反射鏡原型基于RC光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖2所示為反射鏡CAD模型，直徑為58 mm，光學(xué)表面為非球面，鏡體背面為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。在SLM 成形過(guò)程中，CAD模型轉(zhuǎn)化成STL格式。沿圖2中x方向成形鏡坯，激光掃描方向則平行于y-z平面。

圖2 反射鏡三維模型Fig.2 3D models of mirror

利用單點(diǎn)金剛石車削(SPDT)對(duì)反射鏡光學(xué)表面進(jìn)行超精密加工，工藝參數(shù)如下：刀具轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，切削深度為2 μm，進(jìn)給量為2 μm/r。采用Zygo 白光干涉儀和LuphoScan 非接觸式輪廓儀對(duì)光學(xué)加工后鏡面粗糙度和面形進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與相對(duì)密度

圖3所示為經(jīng)SLM 成形試樣的橫向和縱向顯微組織。從圖3可以看出：反射鏡光學(xué)表面具有高致密度和低孔隙率；在SLM 加工過(guò)程中，由于冷卻速率高而形成了細(xì)小的等軸晶粒微觀結(jié)構(gòu)[6]；從橫向組織照片可見熔池形貌，從縱向組織照片可見典型的“魚鱗”形態(tài)[7]。觀察橫向組織可知，熔池寬度超過(guò)激光光斑直徑(約70 μm)。此外，從沿著成形方向的“魚鱗”狀組織形態(tài)最大厚度可知熔池深度為50～150 μm，與30 μm 的鋪粉層厚度并不完全一致，表明在SLM 成形過(guò)程中存在重新熔融的新層[8]。

圖3 SLM AlSi10Mg的橫向與縱向典型組織形貌光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.3 OM micrographs of typical etched microstructure,cross section and longitudinal section of SLM AlSi10Mg

通過(guò)排水法測(cè)定成形樣品的相對(duì)密度，設(shè)備為賽多利斯BS2245 電子天平，其稱量精度可達(dá)0.1 mg。選擇3 個(gè)長(zhǎng)×寬×高均為10 mm×10 mm×10 mm的隨爐樣品，每個(gè)樣品測(cè)量3次，并取平均值，所得相對(duì)密度分別為99.74%，99.43% 和99.56%，平均值達(dá)99.58%。

2.2 力學(xué)性能

SLM 成形的金屬零件通常需要經(jīng)退火處理，以消除殘余應(yīng)力，但可能導(dǎo)致變形和微裂紋[9]。圖4所示為不同熱處理工藝下經(jīng)SLM 成形的AlSi10Mg 試樣拉伸性能。沉積態(tài)樣品的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度約為400 MPa和270 MPa，優(yōu)于鑄造成形樣品的拉伸性能。在經(jīng)過(guò)300 ℃退火2 h 后，試樣的抗拉強(qiáng)度降低為287.0 MPa，屈服強(qiáng)度降低為176.5 MPa，與沉積態(tài)相比分別降低28%和33%。這主要是由于在300 ℃時(shí)，Al 基體中過(guò)飽和的Si被析出，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低[10]。同時(shí)，其伸長(zhǎng)率升高到約10%。隨著退火溫度進(jìn)一步升高到500 ℃，在短時(shí)間內(nèi)(約1 h)，樣品的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低33%和45%，分別為250 MPa和100 MPa。反之，隨著退火溫度升高，伸長(zhǎng)率進(jìn)一步增大。這主要是由于退火溫度進(jìn)一步升高，析出的Si 相顯著長(zhǎng)大。在沉積態(tài)或于300 ℃退火處理的樣品中，Si 相可以起到顯著的Orowan 強(qiáng)化作用，但當(dāng)退火溫度升高、Si 相顯著長(zhǎng)大時(shí)，該強(qiáng)化機(jī)制消失，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度顯著降低[11]。

圖4 SLM AlSi10Mg不同退火條件力學(xué)性能Fig.4 Tensile properties of SLM AlSi10Mg with different heat treatments

硬度也是表征材料抵抗塑性變形能力的重要指標(biāo)。LI 等[12]研究了熱處理對(duì)SLM 成形的AlSi10Mg 試樣硬度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度和持續(xù)時(shí)間增加，會(huì)出現(xiàn)持續(xù)軟化的現(xiàn)象。圖5所示為經(jīng)鏡坯退火處理(300 ℃/2 h)后表面四棱錐的壓痕光學(xué)顯微照片，經(jīng)測(cè)試，壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度d1≈d2=145 μm，退火前后的維氏硬度(HV)分別為110±10和99±5。

圖5 表面壓痕光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.5 Optical micrographs of indentation on tested surfaces

2.3 鋁鏡加工與表面特性測(cè)量

直徑為58 mm 的鏡坯經(jīng)SLM 成形后，采用噴砂處理清理工件表面上的殘留粉末，SLM 成形鏡坯尺寸誤差為±0.1 mm。利用超精密金剛石加工方法直接對(duì)反射鏡光學(xué)表面進(jìn)行車削，表面總切削量約為0.1 mm。圖6所示為金剛石單點(diǎn)車削后的鋁鏡實(shí)物照片。

圖6 SLM鋁合金表面光學(xué)加工后實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Aluminum mirror produced by SLM after diamond point machining

SLM 鋁合金光學(xué)加工表面SEM 照片、光學(xué)加工表面形態(tài)和光學(xué)加工表面輪廓如圖7所示。從圖7(a)可見步長(zhǎng)為2 μm的切削痕跡。測(cè)得光學(xué)加工表面形態(tài)(見圖7(b))的表面粗糙度為8～13 nm，非接觸式輪廓儀測(cè)量的表面輪廓(見圖7(c))的面形精度約為0.28λ(λ為波長(zhǎng)，λ=632 nm)。然而，這種加工的表面粗糙度尚不足以滿足高質(zhì)量的光學(xué)成像系統(tǒng)要求，通常還需對(duì)鋁合金反射鏡表面鍍制鎳(Ni)金屬膜層，再進(jìn)行金剛石精密加工，以提高表面粗糙度[13]。有研究表明，熱等靜壓(HIP)工藝對(duì)增材制造鋁合金的致密化非常有效，能夠去除鏡坯體內(nèi)的所有孔隙，提高表面精密拋光質(zhì)量[14]。

圖7 SLM成形的鋁合金光學(xué)加工表面SEM照片、光學(xué)加工表面形態(tài)和光學(xué)加工表面輪廓Fig.7 SEM images of the turning surface，turning surface morphology detected by interferometer and surface profile of the mirror of SLM aluminum alloy

3 結(jié)論

1)選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)可以應(yīng)用于制造精密光學(xué)元件，有助于復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)的金屬反射鏡鏡坯研制。

2)采用SLM 制造的鋁合金非球面鏡具有優(yōu)良的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能。反射鏡表面經(jīng)超精密金剛石加工后，其表面粗糙度為8～13 nm，面形精度為0.28λ(λ=632 nm)，能夠滿足光學(xué)成像應(yīng)用要求。