張建巧，孫旋，羅兆偉

激光熔化沉積鋁合金顯微組織及力學(xué)性能

張建巧，孫旋，羅兆偉

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054000）

提高激光熔化沉積鋁合金的成形質(zhì)量。以顆粒度45～105 μm的AlSi10Mg粉末為材料，4045鋁合金為基板，利用激光熔化沉積設(shè)備在充氬艙內(nèi)進(jìn)行鋁合金成形試驗(yàn)。測(cè)試試樣的硬度和拉伸性能，并通過掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織形貌分析。在沉積方向上，試樣顯微組織呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路，搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征；含有大量的細(xì)密樹枝晶。該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強(qiáng)化相。沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV；沉積態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度約為185.75 MPa，伸長(zhǎng)率約為15.21%；沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣；該鋁合金的失效形式為韌性斷裂。AlSi10Mg在激光熔化沉積時(shí)具有良好的成形能力，沉積態(tài)的組織強(qiáng)度高于鑄態(tài)組織強(qiáng)度。

激光熔化沉積；AlSi10Mg；顯微組織；力學(xué)性能

作為一種激光金屬增材制造技術(shù)，激光熔化沉積技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，如成型零部件晶粒細(xì)小、組織致密、成分均勻、性能良好，除成型外，該技術(shù)還可用于熔覆和修復(fù)[1-3]。一般情況下，激光熔化技術(shù)大體可分為2種：一種是送絲式；另一種是送粉式。目前，激光熔化沉積技術(shù)已經(jīng)逐步推廣到很多工業(yè)領(lǐng)域，特別是鋁合金成形[4-5]。AlSi10Mg鋁合金是一種比較常見的Al-Mg-Si系亞共晶鋁合金，具有密度低、耐腐蝕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在能源動(dòng)力、汽車交通、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。最近幾年，許多學(xué)者已開展激光熔化沉積研究，研究對(duì)象囊括了鎳基合金、不銹鋼、鋁合金、鈦合金及其復(fù)合材料等。但是AlSi10Mg鋁合金導(dǎo)熱率高、能量吸收率低、容易氧化，所以采用激光熔化沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)成形具有一定難度，關(guān)鍵在于工藝參數(shù)控制[6-9]。李俐群等[10]研究了激光熔化沉積AlSi10Mg技術(shù)以及氣孔對(duì)力學(xué)性能的影響，探討了氫氣孔在激光熔化沉積制造的試件中產(chǎn)生的機(jī)理，給出了利用激光沉積工藝制備穩(wěn)定的AlSi10Mg合金的策略。呂非等[11]研究了AlSi10Mg鋁合金激光熔化沉積顯微組織及力學(xué)性能，所得試樣拉伸強(qiáng)度可達(dá)292 MPa，教鑄件提高了33%。陳永城等[12]研究了激光熔化沉積4045鋁合金顯微組織及顯微硬度，為高性能Al-Si合金構(gòu)件的激光熔化沉積制備提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。張堃等[13]采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)制備了AlSi10Mg合金、TiB2/ AlSi10Mg復(fù)合材料，并表征分析了組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等指標(biāo)。在AlSi10Mg合金中加入增強(qiáng)相TiB2后，成形件的致密度由96.8%升高至99.4%、屈服強(qiáng)度由156.3 MPa升高至170.1 MPa、斷裂強(qiáng)度則由366.3 MPa升高至413.4 MPa。鄒亞桐等[14]為提高AlSi10Mg合金激光選區(qū)熔化成形致密度，對(duì)影響的主因素：激光功率、掃描速度和掃描間距，進(jìn)行了優(yōu)化研究，引入能量密度模型，綜合表征能量輸入與致密度之間的作用關(guān)系。研究結(jié)果表明能量密度在4.0～6.0 J/mm2范圍內(nèi)時(shí)，致密度可達(dá)98%以上。沙春生等[15]研究了535 ℃固溶溫度下不同固溶時(shí)間對(duì)激光選區(qū)熔化AlSi10Mg鋁合金顯微組織及顯微硬度的影響，在535 ℃固溶溫度下，由納米尺寸網(wǎng)狀A(yù)l-Si共晶和過飽和α-Al固溶體組成的激光選區(qū)熔化AlSi10Mg顯微組織對(duì)固溶時(shí)間非常敏感，固溶2 min后熔池邊界及網(wǎng)狀共晶組織消失，固溶5 min后共晶Si便發(fā)生明顯球化，共晶Si尺寸隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)而增大.伴隨著顯微組織的變化，AlSi10Mg的顯微硬度從固溶前的HV(119_3.2)迅速降低,并隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)最終穩(wěn)定在HV57左右。王悅等[16]采用激光選區(qū)熔化制備了致密度達(dá)99.63%、力學(xué)性能良好的AlSi10Mg樣品，對(duì)比分析了不同熱處理工藝對(duì)樣品平行于基板方向組織與性能的影響。沉積態(tài)樣品水平方向的抗拉強(qiáng)度可達(dá)478 MPa,伸長(zhǎng)率約8%，平均硬度約122HV。經(jīng)130 ℃、4 h的時(shí)效后，熔池仍然保留完整的網(wǎng)狀Si結(jié)構(gòu)，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，塑性提高到約11.9%，平均硬度也增至約133HV，與沉積態(tài)相比提升了10%。

文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)激光熔化沉積A1Si10Mg合金的成形工藝、組織性能和力學(xué)性能進(jìn)行探討，為鋁合金激光熔化沉積技術(shù)提供借鑒和參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用AlSi10Mg粉末，主要合金元素為Si和Mg，顆粒直徑為45～105 μm。該粉末的具體成分如下：Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.00%～11.00%，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%～0.45%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.10%，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.30%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%～ 0.50%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.01%，Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.05%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1.00%，其余均為Al。粉末的微觀形貌如圖1所示。沉積基板選用25 mm厚的4045鋁合金，沉積前需進(jìn)行化學(xué)清洗以去除表面氧化膜[17]。

圖1 AlSi10Mg粉末微觀照片

激光熔化沉積設(shè)備主要包括激光器系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、KUKA機(jī)器人。其中激光器為YLR-5000型5 kW光纖激光器，送粉系統(tǒng)為MF-PF2/2雙桶送粉器。為保證鋁合金成形質(zhì)量，所有試驗(yàn)均在充氬艙內(nèi)進(jìn)行[18-19]。激光熔化沉積工藝參數(shù)如下：功率2 000 w，掃描速度8 mm/s，光斑直徑3 mm，送粉速度16 g/min，掃描間距15 mm，監(jiān)測(cè)距離10 mm。

通過電火花切割獲取沉積試樣，經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光后腐蝕觀察組織，腐蝕溶液為2.5 ml硝酸、1.5 ml鹽酸、1.0 ml氟化氫、100 ml水的混合液，腐蝕時(shí)間為12～14 s，迅速用水洗凈并吹干。文中利用Olympus BX51M型光學(xué)顯微鏡以及CS3400型掃描電鏡對(duì)顯微組織和成分進(jìn)行分析。

文中采用HVS-1000Z型顯微硬度儀對(duì)激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣分別沿沉積方向和掃描方向進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷200 g，加載時(shí)間為15 s。采用萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。拉伸樣件尺寸如圖2所示，其中1=40 mm，2=20 mm，1=6 mm，2=2 mm，=1 mm，=2 mm。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織形貌

A1Si10Mg鋁合金沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3a可以看出，在沉積方向上，試樣呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路；相鄰沉積層之間存在一條比較明顯的白亮帶，即熔覆層之間界線非常明顯；所有界線近似平行分布；整個(gè)試樣被分割為若干寬度基本一致的層帶。從圖3b和圖3c分別對(duì)應(yīng)的是與掃描方向平行、與掃描方向垂直的角度拍攝的金相顯微鏡圖片，從2幅圖中可以看出：搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征，所有搭接弧面均比較圓滑，熔池形貌類似。另外，從平行或者垂直角度獲得的試樣組織中含有大量的細(xì)密樹枝晶，通過白亮帶的搭接現(xiàn)象可以說明試樣各層間通過冶金方式結(jié)合，結(jié)合穩(wěn)定并未出現(xiàn)熔合不良的現(xiàn)象。

進(jìn)一步地，選取試樣頂部和中-底部搭接區(qū)域顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可以看出：試樣顯微組織呈現(xiàn)為貫穿多個(gè)沉積層的連續(xù)外延生長(zhǎng)的定向柱狀晶組織，生長(zhǎng)方向沿沉積方向但并不是完全垂直；頂部區(qū)域則由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。沉積過程中，熔池是由基材表面被激光束作用形成，在初期過程中，基材具有較低的溫度，熔池底部具有最高的溫度梯度，此時(shí)熱能傳遞主要是由熔池的底部垂直方向向基材表面?zhèn)鬟f熱量傳遞，這種情況下形成了柱狀枝晶；另一方面在熱能的累積過程中，基材溫度是連續(xù)升高并最終趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象會(huì)降低溫度梯度，進(jìn)而降低了基材中熱能傳導(dǎo)的強(qiáng)度，主要是通過對(duì)流散熱為主，此時(shí)熔池也表現(xiàn)為多方向散熱現(xiàn)狀，這種情況下形成了等軸晶[20]。

圖3 沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌

2.2 成分分析

如上所述，AlSi10Mg屬于亞共晶鋁-硅合金，Si為主要合金元素，除此之外Mg、Fe等元素的含量也比較高。經(jīng)XRD分析，該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強(qiáng)化相。在整個(gè)凝固過程中，該合金最先析出Si相；然后與基體Al形成Al-Si共晶組織；Mg元素會(huì)與Si元素發(fā)生反應(yīng)生成Mg2Si相。析出相顯微組織形貌如圖5所示。

圖5 析出相顯微組織形貌

2.3 力學(xué)性能

沉積方向和掃描方向試樣顯微硬度如圖6和圖7所示，顯微硬度作為硬度測(cè)量的一種，可以用來表征金屬材料試樣抵抗彈塑性的能力。從圖6可以看出，沿沉積方向，試樣顯微硬度波動(dòng)式增長(zhǎng)，主要原因在于沉積過程中試樣內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)演變。在激光熔化沉積的過程中，沉積的層數(shù)是逐漸增加的，遠(yuǎn)離基體的位置顯微硬度越高，上層熔化沉積會(huì)造成底部沉積層不斷高溫回火的狀態(tài)，最頂部的沉積層（即遠(yuǎn)離基體材料）回火時(shí)間最短，組織最細(xì)密，晶界最多，此時(shí)的結(jié)構(gòu)組織逐漸從枝晶向著等軸晶進(jìn)行轉(zhuǎn)變，因此硬度最大。同時(shí)從圖6可以看出，沿著沉積方向，顯微硬度的數(shù)值表現(xiàn)出規(guī)律性波動(dòng)行為，這主要是因?yàn)槌练e層的內(nèi)部硬度高于層帶處所導(dǎo)致的。

圖6 沉積方向顯微硬度

從圖7可以看出，沿掃描方向，試樣顯微硬度分布還是比較均勻的，只有在重熔搭接區(qū)試樣的硬度會(huì)略微下降。沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：掃描方向硬度值略高于沉積方向，主要是因?yàn)槌练e方向的組織為樹枝晶，枝晶干組織粗大，而掃描方向枝晶組織比較細(xì)密。但是從整體上看，激光熔化沉積A1Si10Mg鋁合金顯微組織均勻，不同區(qū)域的顯微硬度波動(dòng)較小，故鋁合金致密性良好，達(dá)到了力學(xué)性能要求。

室溫條件下，對(duì)鋁合金沉積態(tài)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試。拉伸曲線如圖8所示，測(cè)試結(jié)果表明：沉積態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度約為185.75 MPa，伸長(zhǎng)率約為15.21%；對(duì)比來看，壓鑄AlSi10Mg的屈服強(qiáng)度約為165 MPa，伸長(zhǎng)率約為3.5%。沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣，特別在伸長(zhǎng)率方面。

圖7 掃描方向顯微硬度

圖8 拉伸曲線

沉積態(tài)拉伸試樣斷裂后的宏觀形貌如圖9所示，斷口SEM形貌如圖10所示。從端口形貌可以看出：斷口表面為暗灰色，呈纖維狀，比較粗糙；斷裂面與拉伸方向基本垂直；斷裂處出現(xiàn)一定程度的頸縮現(xiàn)象但沒有明顯的放射狀特征。斷口纖維區(qū)存在比較典型的韌窩特征，因此激光熔化沉積AlSi10Mg鋁合金的失效形式為韌性斷裂。

圖9 斷裂宏觀形貌

圖10 斷口SEM形貌

3 結(jié)論

文中對(duì)激光熔化沉積AlSi10Mg顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。

1）在沉積方向上，試樣顯微組織呈現(xiàn)周期性條帶狀紋路，搭接區(qū)域呈現(xiàn)出比較明顯的弧形特征；含有大量的細(xì)密樹枝晶。

2）該合金相成分主要包括：Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si強(qiáng)化相。

3）沿掃描方向，試樣平均硬度值約為130HV；沿沉積方向，試樣平均硬度值約為100HV；沉積態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度約為185.75 MPa，伸長(zhǎng)率約為15.21%；沉積態(tài)試樣拉伸性能明顯優(yōu)于壓鑄試樣；該鋁合金的失效形式為韌性斷裂。

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Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Deposited by Laser Melting

Zhang Jian-qiao, Sun Xuan,Luo Zhao-wei

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, china)

In order to improve the forming quality of aluminum alloy deposited by laser melting, AlSi10Mg powder with particle size of 45-105 μm was used as material and 4045 aluminum alloy was used as substrate. The aluminum alloy forming experiments were carried out in an argon filled chamber by laser melting and deposition equipment. The hardness and tensile properties of the samples were tested, and the microstructure was analyzed by scanning electron microscope and optical microscope. In the direction of deposition, the microstructure of the sample shows periodic banded patterns, and the lap area shows obvious arc characteristics. The alloy contains a large number of fine dendrites. The alloy phase composition mainly includes Al phase, eutectic Si phase and a small amount of Mg2Si strengthened phase. Along the scanning direction, the average hardness value of the sample is about 130HV. Along the deposition direction, the average hardness value of the sample is about 100HV. The yield strength of the deposited specimen is about 185.75 MPa, and the elongation is about 15.21%. The tensile properties of the deposited samples are obviously better than those of the die-casting samples. The failure mode of the aluminum alloy is ductile fracture. AlSi10Mg has good forming ability during laser melting deposition, and the microstructure strength in deposition state is higher than that in cast state.

laser melting deposition; AlSi10Mg; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.019

TG146.2

A

1674-6457(2022)10-0133-06

2021–10–14

張建巧（1987—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。