CN113695594A - 选区激光熔化铝合金的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种选区激光熔化铝合金的评价方法，包括以下步骤：S1、根据所设计合金配置原料，制成合金坯锭；S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；S3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术。

Description

选区激光熔化铝合金的评价方法
本申请是在申请日为2020年7月28日提交的中国专利申请202010738545.8、专利名称为“选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及铝合金的成分设计优化方法和评价方法，尤其涉及一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法和评价方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacture)技术，又称3D打印，是基于离散-堆积原理，根据零部件的三维CAD切片模型数据直接成型高性能、致密度接近100％的三维金属零件，可以快速制造出无余量的原型件。随着工业设计的不断发展，零部件的结构也越来越复杂，且对其结构的精度要求越来越高，因此，增材制造技术在当今制造业中竞争力不断扩大，同时也是国内外重点突破的新型材料制造技术。选区激光熔化(Selective laser melting)，也称为选择性激光熔化，是金属材料增材制造技术中的一种主要技术途径，它利用高能激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，而扫描过的金属粉末熔化并快速冷却凝固成型，最终可以获得高致密度、高精度的金属零部件。目前，可以应用于选区激光熔化技术的材料包括钛合金、高温合金、铝合金、不锈钢及合金等。
但是，由于不同合金材料中各组分及配比均有很大差异，导致其成型性能也存在很大差异，因此，适用于选区激光熔化的合金材料体系相当有限。例如，某些合金易氧化、流动性差、铺粉时易产生团聚，并且具有过高的激光发射率和热导率，导致该些合金的选区激光熔化的制造工艺较为困难。因此，对合金材料的组分、配比进行分析和筛选，并判断其是否属于适合选区激光熔化成型的材料体系的方法尤为重要。
现有技术中，论文(1)Selective laser sintering/melting(SLS/SLM)of pureAl,Al–Mg,and Al–Si powders:Effect of processing conditions and powderproperties(Journal of Materials Processing Technology,2013,213:1387)；论文(2)Evaluation of an Al-Ce alloy for laser additive manufacturing(ActaMaterialia,2017,126:507)和论文(3)Microstructures and mechanical property ofAlMgScZrMn:Acomparison between selective laser melting,spark plasma sinteringand cast(Materials Science and Engineering:A,2019,756:354)公开了对合金成分进行分析筛选的方法。筛选的方法通常包括如下步骤：合金选择、熔炼、雾化制粉、粉末筛选、选区激光熔化成型，再研究成型后的材料的成型性、显微组织以及性能，进而判断该合金成分是否适用于选区激光熔化成型技术。但是，经过上述步骤进行合金成分筛选，不仅需要很长的实验周期，而且也面临高昂的成本，限制了其广泛应用。
目前，澳大利亚增材制造中心的吴新华教授团队提出了基于样品表面熔化的选区激光熔化合金开发方法(Selective laser melting of a high strength Al-Mn-Scalloy:Alloy design and strengthening mechanisms.Acta Materialia,2019,171:108和Towards a high strength aluminium alloy development methodology forselective laser melting[J].Materials&Design,2019,174:107775)，该方法仅对合金样品表面进行成型性、微观组织的观察，可以在一定程度上缩短选区激光熔化合金的开发周期。但是，其样品的组织和热历史与实际选区激光熔化过程还有较大差异，导致对合金成型性的评估存在较大偏差，并且缺乏表面熔化层性能与选区激光熔化合金性能的关联性。
因此，急需开发一种能够准确地模拟实际选区激光熔化过程热历史和组织演变规律，且能够缩短合金筛选优化周期的选区激光熔化合金的成分设计优化方法。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效、低成本的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，该成分优化方法能够模拟实际选区激光熔化过程的热历史，合金熔化和凝固过程与选区激光熔化相近，从而使合金成分的筛选优化结果更为精确，且能够缩短合金筛选优化周期。
本发明是基于以下发明构思实现的：一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，包括以下步骤：
S1、根据所设计合金配置原料，制成不同的合金坯锭；
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；
S3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术并优化合金成分。
相对于现有技术，本发明提供了一种选区激光熔化合金的成分优化方法，其根据合金材料在选区激光熔化过程中熔化、凝固与热历史的特点，采用两次激光表面扫描处理结合感应快速加热的方法，使得合金坯锭表面的激光熔化层的微观组织更加接近选区激光熔化过程中快速凝固的合金粉末，同时，也使激光熔化层的热应力更加接近选区激光熔化过程，进而模拟出合金材料在选区激光熔化过程中的状态，再对获得的激光熔化层进行观察分析和组织性能测试，能够准确分析和判断出该合金成分是否适用于选区激光熔化成型技术。此外，本发明的成分优化方法步骤简单，直接对合金坯锭进行分析而无需再将其制备成粉末，简化了筛选优化的步骤，且能同时进行多个合金坯锭的快速评估，实现了选区激光熔化合金成分的高效设计优化，为筛选适合选区激光熔化技术的合金材料提供了一种新思路、新方法。
进一步地，在步骤S3中，待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再进行第二次激光表面扫描处理。第一次激光表面扫描的效果在于获得细小的快速凝固组织，使其与气雾化粉末的显微组织相近，从而提高激光表面扫描与选区激光熔化相近的原始条件，包括合金组织结构和热条件，之后进行第二次激光表面扫描处理，获得与粉末选区激光熔化相近的显微组织。
进一步地，在步骤S3中，第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描。获得与选区激光熔化成形相近的受热、凝固与受力条件，从而可以借此评价合金的激光成型性，并且扫描策略可以根据具体合金成分进行设定。
进一步地，在步骤S3中，在进行第一次激光表面扫描处理之前，对不同成分的合金样块进行激光表面扫描预处理，再通过观察获得的激光表面熔化层的状态确定第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的工艺参数。在进行第一次激光表面扫描处理之前，首先通过观察激光表面熔化层的状态确定合适的激光扫面参数，并获得不同成分合金锭激光表面熔化层的形貌与工艺参数的关联性，从而为激光扫描处理的工艺参数优选提供依据，两次激光表面扫描的工艺参数相同。
进一步地，在步骤S3中，第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的步骤为：将多个合金样块置于选区激光熔化设备的预制夹具之中，控制扫描速度为10-600mm/s，激光功率为50-300w，扫描间距为0.05-0.1mm进行扫描。第一次激光扫描处理可以消除合金坯锭中粗大的铸造组织，从而使合金的显微组织与气雾化粉末相近。
在步骤S3中，所述预制夹具为在选区激光熔化基板上采用机加工得到9个或16个与多个合金样块尺寸相匹配的凹槽，凹槽高度为2mm。
进一步地，在步骤S4中，具体包括将步骤S3获得的合金样块快速转移至高频感应炉中，并采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样块迅速用水淬冷至室温。确保样品快速进入高频感应炉并迅速从炉中去除进行水淬，转移时间在1s左右，保温结束后迅速淬冷到室温可以减少组织粗化。
进一步地，在步骤S1中，具体包括：配制合金原料，将纯金属、中间合金、熔炼助剂混合后进行熔炼，获得合金熔体；熔炼方法为电阻炉熔炼、感应熔炼、真空熔炼的任意一种；再将合金熔体用具有扁形内腔的模具进行浇铸，制成板块状合金坯锭。采用扁形内腔的模具进行浇注，可以降低合金坯锭组织中的成分偏析，并减少后续加工的加工量。
进一步地，在步骤S2中，预处理步骤具体包括：对合金坯锭进行均匀化处理，再对合金坯锭进行加工切割处理，制成圆形合金样块，所述合金样块的厚度为5～10mm，直径为20～30mm。
进一步地，在步骤S5中，根据合金样块的的第二激光熔化层的开裂程度、孔隙尺寸和形貌、组织均匀性评价所设计的合金样块是否适合选区激光熔化成型，并对比合金样块的第二激光熔化层和所述合金样块真空雾化制粉后的粉末选区激光熔化样品的组织和性能，优化选区激光熔化铝合金的合金样块的成分。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法的流程图；
图2为本发明的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法的对比实验流程图；
图3为本发明实施例1中2024铝合金样块激光表面扫描的表面形貌；
图4为本发明实施例2中Al-5Mg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr合金样块激光表面扫描的显微组织；
图5为本发明实施例2中Al-5Mg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr合金粉末选区激光熔化的显微组织；
图6为本发明实施例2中Al-xMg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr合金样块激光表面扫描与合金粉末选区激光熔化的显微硬度与Mg含量的关系曲线。
具体实施方式
申请人在研究适用于选区激光熔化技术的合金材料时发现，现有技术中筛选适用于选区激光熔化成型合金的方法通常是通过合金选择、熔炼、雾化制粉、粉末筛选等一系列步骤获得合金粉末后，再对合金粉末进行选区激光熔化成型，且在选区激光熔化成型的过程中判断合金成分是否合适，由此达到合金成分优化的目的，但是该方法研究周期过长，也面临着高昂的生产成本。
申请人希望能简化合金优化的步骤进而缩短研究周期，尤其是简化雾化制粉和粉末筛选这一复杂的步骤。申请人提出了一种不需要制备合金粉末的合金成分优化方法，其以合金坯锭作为研究对象，即对合金坯锭的表面进行观察和组织性能测试，进而判断该合金成分是否适用于选区激光熔化成型。但是，由于合金坯锭与合金粉末是两种状态不同的研究对象，二者的样品组织和热历史均有较大差异，即未经过处理的合金坯锭与实际选区激光熔化过程还有较大差异，导致对合金成型性的评估存在较大偏差。
因此，申请人提出了一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，特别是提出了采用两次激光表面扫描处理和感应快速加热对合金样块的表面进行处理，使其微观组织和热应力更加接近选区激光熔化过程中快速凝固的合金粉末，使后续的对合金适用性的评估和分析结果更为准确。
以下通过具体实施例进一步说明本发明的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法。具体地，请参考图1，包括以下步骤：
S1、根据所设计的合金配置原料，制成不同的合金坯锭；
根据设计的合金原料配比，称取和配制合金原料，合金原料包括纯金属、中间合金、熔炼助剂等，将合金原料充分混合后进行熔炼，获得合金熔体；熔炼方法为电阻炉熔炼、感应熔炼、真空熔炼的任意一种；再将合金熔体用具有扁形内腔的模具如铜模或水冷模进行浇铸，制成合金坯锭。作为优选地，合金坯锭的形状为板坯，其厚度大于10mm，所述合金板坯的小于200g。
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；
预处理步骤包括均匀化处理和加工切割处理；具体地，均匀化处理是对合金坯锭加热、保温、冷却等步骤，进而改变和均化合金坯锭的组织和性能；加工切割处理是采用车、铣、精雕等方法加工合金坯锭的表面，使其上下表面平整并具有一定粗糙度，进而减小光滑表面对激光的反射作用，提高激光扫描的效率，最终获得合金样块。
S3、两次激光表面扫描处理；
根据不同成分的合金样块的成分设置两次激光表面扫描处理的参数，其中第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度10-600mm/s，激光功率50-300w，扫描间距0.05-0.1mm。将多个合金样块置于选区激光熔化设备的预制夹具之中，采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，且第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描，形成第二激光熔化层。
需要说明的是，在第一次激光表面扫描处理之前，还包括对不同成分的合金样块进行激光表面扫描预处理，通过观察获得的激光表面熔化层的状态来确定第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的工艺参数。
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样品迅速用水淬冷至室温。
S5、对S4步骤的合金样品的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪观察第二激光熔化层的表面形貌，并利用显微硬度、微纳拉伸的方法表征和测试第二激光熔化层的组织性能。其中，根据合金样块的的第二激光熔化层的开裂程度、孔隙尺寸和形貌、组织均匀性评价所设计的合金样块是否适合选区激光熔化成型，并对比合金样块的第二激光熔化层和所述合金样块真空雾化制粉后的合金粉末选区激光熔化样品的组织和性能，优化选区激光熔化铝合金的合金样块的成分，请参阅图2。
以下通过实施例1、实施例2、实施例3和实施例4详细说明本发明的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法。
实施例1
本实施例1为选区激光熔化2024铝合金的激光成形性能验证，包括以下步骤：
S1、配置2024铝合金原料，制成合金坯锭；
具体成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn-0.08Ti，合金原料为纯铝锭、纯镁锭、Al-50Cu中间合金、Al-13Mn中间合金和Al-5Ti-B中间；按照合金含量配比，在电阻炉中升温至800～850℃将纯铝锭熔化，然后分别加入其他合金原料，采用石墨棒充分搅拌5～15min，将30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石置于石墨罩中，伸入熔体底部进行造渣，采用六氯己烷除气，降温至700～750℃并添加1～2％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，静置5～10min；采用铜模进行浇铸，铜模内表面预涂一层ZnO，浇铸形成2024铝合金坯锭样品；将合金坯锭样品加工和切割成为板坯，其尺寸为10×50×120mm。
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成多个合金样块；
将8个合金坯锭样品置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，加热温度设置为400～420℃，保温时间为12～24h，合金坯锭随炉加热，升温速率20～30℃/min，保温结束后随炉冷却。再采用精雕机加工合金坯锭的上下表面，以确保表面平整和两个表面相互平行，加工后板坯厚度为6mm，为减小光滑表面对激光的反射作用，再用300#砂纸打磨表面；最后根据选区激光熔化的设备尺寸和放置样品的凹槽尺寸，采用线切割获得一定尺寸和形状的合金板坯样品，采用超声波清洗样品表面油渍并烘干，获得预处理后的8个合金样块。
S3、两次激光表面扫描处理；
将8个合金样块分别固定于预设的底板位置之中，再将其置于选区激光熔化设备中，设置第一次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.04mm；采用高能激光束分别对8个合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，形成一定尺寸的第一激光熔化层。
待第一次激光表面扫描处理后的合金样品完全冷却后，设定第二次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.04mm；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，且第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描，形成第二激光熔化层。第二激光熔化层为评判合金样品成形性能、显微组织和力学性能的依据。
2024铝合金第二激光熔化层的表面形貌如附图3所示，从图中可以看出，激光熔化层为典型的焊接重熔形貌，其中存在比较明显的裂纹(图中箭头所示)，说明2024铝合金激光重熔过程中容易出现裂纹，其选区激光熔化成型性能较差。
实施例2
本实施例2为选区激光熔化Al-xMg-Mn-Sc-Zr合金中Mg含量的优化，包括以下步骤：
S1、配置Al-xMg-Mn-Sc-Zr合金原料，制成合金坯锭；
将Al-xMg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr合金中x设置为3.0％，3.5％，4.0％，4.5％，5.0％，5.5％，6.0％和6.5％，合金原料为纯铝锭、纯镁锭、Al-10Mn中间合金、Al-2Sc中间合金和Al-10Zr中间合金；按照合金含量配比，在电阻炉中升温至800～850℃将纯铝锭熔化，然后分别加入其他合金原料，采用石墨棒充分搅拌5～15min，将30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石置于石墨罩中，伸入熔体底部进行造渣，采用六氯己烷除气，降温至750～800℃，最后添加1～2％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，静置5～10min，获得多种Al-xMg-Mn-Sc-Zr合金熔体；再采用铜模进行浇铸以减少板坯组织中的成分偏析，铜模内表面预涂一层ZnO，浇铸形成8个合金坯锭样品；将8个合金坯锭样品加工和切割成为板坯，其尺寸为10×50×120mm。
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成多个合金样块；
将8个合金坯锭样品置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，加热温度设置为400～480℃，保温时间为12～24h，板坯随炉加热，升温速率20～30℃/min，保温结束后随炉冷却。再采用精雕机加工8个合金坯锭样块的上下表面，以确保表面平整和两个表面相互平行，加工后板坯厚度为6mm，为减小光滑表面对激光的反射作用，再用300#砂纸打磨表面；最后根据选区激光熔化的设备尺寸和放置样品的凹槽尺寸，采用线切割获得一定尺寸和形状的合金板坯样品，采用超声波清洗样品表面油渍并烘干，获得预处理后的8个合金样块。
S3、两次激光表面扫描处理；
将8个合金样块分别固定于预设的底板位置之中，再将其置于选区激光熔化设备中，设置第一次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.04mm；采用高能激光束分别对8个合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，形成一定尺寸的第一激光熔化层。
待第一次激光表面扫描处理后的合金样品完全冷却后，设定第二次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.04mm；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，且第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描，形成第二激光熔化层。第二激光熔化层为评判合金样品成形性能、显微组织和力学性能的依据。
S4、将S3步骤的合金样品进行感应快速加热处理和淬冷处理；
采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样品迅速用水淬冷至室温。
S5、对S4步骤的合金样品的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪观察第二激光熔化层的表面形貌，并利用显微硬度、微纳拉伸的方法表征和测试第二激光熔化层的组织性能，具体为观察第二激光熔化层是否开裂以及开裂程度、组织中孔隙尺寸和形貌、组织均匀性，进而判断所述合金坯锭是否适用于选区激光熔化成型技术。经过比对和观察，在本实施例2中，在8个合金样块中，镁含量低于6％的Al-xMg-Mn-Sc-Zr合金样块具有良好的激光熔化成型性能。
S6、实验结果验证；
将与本实施例2具有相同合金配比的Al-5Mg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr合金通过真空雾化制粉获得合金粉末后，再采用同样的工艺参数进行选区激光熔化成型，观察其激光表面熔化层的表面形貌以及测试其组织性能，作为对比合金粉末样品1。
图4为本发明实施例2的合金样块Al-5Mg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr激光表面扫描的显微组织；图5为本发明实施例2的合金粉末Al-5Mg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr选区激光熔化的显微组织，可以看出，该合金在两个工艺下具有相似的周期性显微组织，说明激光表面熔化和激光选区熔化过程具有相近的凝固速率和结晶速度。
图6为本发明实施例2合金样块Al-xMg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr激光表面扫描和合金粉末Al-xMg-0.3Mn-0.6Sc-0.4Zr选区激光熔化的显微硬度与Mg含量的关系曲线，可以看出，合金在两种工艺下的显微硬度的偏差不超过8％。
经过实验验证，本实施例2的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法能够较为准确的模拟和重现选区激光熔化成型的热历史和组织演变过程。
实施例3
本实施例3为选区激光熔化Al-xFe-V-Si合金中Fe含量的优化，包括以下步骤：
S1、配置Al-xFe-V-Si合金原料，制成合金坯锭；
将Al-xFe-V-Si合金中x设置为7.0％，7.5％，8.0％，8.5％，9.0％和9.5％，合金原料为纯铝锭、纯铁棒、Fe-50V中间合金、Al-50Si中间合金和Al-10Mn中间合金；按照合金含量配比，在中频感应炉中升温至800～850℃将纯铝锭熔化，再升温至1100～1200℃，然后分别加入其他合金原料，采用石墨棒充分搅拌5～15min，将30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石置于石墨罩中，伸入熔体底部进行造渣，采用六氯己烷除气，降温至850～900℃并添加1～2％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，静置5～10min，获得多种Al-xFe-V-Si合金熔体；再采用水冷铁模进行浇铸，水冷铁模内表面预涂一层ZnO，浇铸形成6个合金坯锭；将6个合金坯锭加工和切割成为板坯，其尺寸为10×50×120mm。
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成多个合金样块；
将6个合金坯锭样品置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，加热温度设置为450～550℃，保温时间为12～24h，合金坯锭随炉加热，升温速率20～30℃/min，保温结束后随炉冷却。再采用车床加工6个合金坯锭的上下表面，以确保表面平整和两个表面相互平行，加工后板坯厚度为6mm，为减小光滑表面对激光的反射作用，再用150#和300#砂纸打磨表面；最后根据选区激光熔化的设备尺寸和放置样品的凹槽尺寸，采用线切割获得一定尺寸和形状的合金板坯样品，采用超声波清洗样品表面油渍并烘干，获得预处理后的6个合金样块。
S3、两次激光表面扫描处理；
将6个合金样块分别固定于预设的底板位置之中，再将其置于选区激光熔化设备中，设置第一次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.06mm；采用高能激光束分别对6个合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，形成一定尺寸的第一激光熔化层。
待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，设定第二次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.06mm；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，且第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描，形成第二激光熔化层。第二激光熔化层为评判合金样块成形性能、显微组织和力学性能的依据。
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样块迅速用水淬冷至室温。
S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪观察第二激光熔化层的表面形貌，并利用显微硬度、微纳拉伸的方法表征和测试第二激光熔化层的组织性能，具体为观察第二激光熔化层是否开裂以及开裂程度、组织中孔隙尺寸和形貌、组织均匀性，进而判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术。经过比对和观察，在本实施例3中，6个合金样块均具有良好的激光成型性能。
S6、实验结果验证；
将与本实施例3具有相同合金配比的Al-xFe-V-Si合金通过真空雾化制粉获得合金粉末后，再进行选区激光熔化成型，观察其激光表面熔化层的表面形貌以及测试其组织性能，作为对比合金粉末样品2。
将本实施例3获得的6个合金样块的表面形貌和组织性能与上述对比合金粉末样品2进行比对，结果表明，本实施例3的6个合金样块的表面形貌、显微组织、显微硬度等与对比合金粉末样品2的偏差低于30％。经过该实验验证，本实施例3的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法能够较为准确的模拟选区激光熔化成型的过程。
实施例4
本实施例4为选区激光熔化Al-7Si-xMg合金中Mg含量的优化，包括以下步骤：
S1、配置Al-7Si-xMg合金原料，制成合金坯锭；
将Al-7Si-xMg合金中x设置为0.15％，0.3％，0.5％，0.7％，0.9％和1.1％，合金原料为纯纯铝锭、纯镁锭和Al-50Si中间合金；按照合金含量配比，在电阻炉中升温至800～850℃将纯铝锭熔化，然后分别加入其他合金原料，采用石墨棒充分搅拌5～15min，将30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石置于石墨罩中，伸入熔体底部进行造渣，采用六氯己烷除气，降温至700～750℃并添加1～2％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，静置5～10min，分别获得6种Al-7Si-xMg合金熔体；再采用铜模进行浇铸，铜模内表面预涂一层ZnO，浇铸形成6个合金坯锭样品；将6个合金坯锭样品加工和切割成为板坯，其尺寸为10×50×120mm。
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成多个合金样块；
将6个合金坯锭样品置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，加热温度设置为400～480℃，保温时间为12～24h，合金坯锭随炉加热，升温速率20～30℃/min，保温结束后随炉冷却。再采用精雕机加工6个合金坯锭的上下表面，以确保表面平整和两个表面相互平行，加工后板坯厚度为6mm，为减小光滑表面对激光的反射作用，再用300#砂纸打磨表面；最后根据选区激光熔化的设备尺寸和放置样品的凹槽尺寸，采用线切割获得一定尺寸和形状的合金板坯样品，采用超声波清洗样品表面油渍并烘干，获得预处理后的6个合金样块。
S3、两次激光表面扫描处理；
将6个合金样块分别固定于预设的底板位置之中，再将其置于选区激光熔化设备中，设置第一次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.4mm；采用高能激光束分别对6个合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，形成一定尺寸的第一激光熔化层。
待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，设定第二次激光表面扫描处理的参数为：扫描速度为300mm/s、激光功率为200W、扫描间距为0.4mm；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，且第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描，形成第二激光熔化层。第二激光熔化层为评判合金样块成形性能、显微组织和力学性能的依据。
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样块迅速用水淬冷至室温。
S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪观察第二激光熔化层的表面形貌，并利用显微硬度、微纳拉伸的方法表征和测试第二激光熔化层的组织性能，具体为观察第二激光熔化层是否开裂以及开裂程度、组织中孔隙尺寸和形貌、组织均匀性，进而判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术。经过比对和观察，在本实施例4中，6个合金样块中均具有良好的激光成型性能。
S6、实验结果验证；
将与本实施例4具有相同合金配比的Al-7Si-xMg合金通过真空雾化制粉获得合金粉末后，再进行选区激光熔化成型，观察其激光表面熔化层的表面形貌以及测试其组织性能，作为对比合金粉末样品3。
将本实施例4获得的6个合金样块的表面形貌和组织性能与上述对比合金粉末样品3进行比对，结果表明，本实施例4的6个合金样块的表面形貌、显微组织、显微硬度等与对比合金粉末样品3的偏差低于20％。经过该实验验证，本实施例4的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法能够较为准确的模拟选区激光熔化成型的过程。
相对于现有技术，本发明提供了一种选区激光熔化合金的成分优化方法，其根据合金材料在选区激光熔化过程中熔化、凝固与热历史的特点，采用两次激光扫描处理结合感应快速加热的方法，使得合金坯锭表面的激光熔化层的微观组织更加接近选区激光熔化过程中快速凝固的合金粉末，同时，也使激光熔化层的热应力更加接近选区激光熔化过程，进而模拟出合金材料在选区激光熔化过程中的状态，再对获得的激光熔化层进行观察分析和组织性能测试，能够准确分析和判断出该合金成分是否适用于选区激光熔化成型技术。此外，本发明的成分优化方法步骤简单，直接对合金坯锭进行分析而无需再将其制备成粉末，简化了筛选优化的步骤，且能同时进行多个合金坯锭的快速评估，实现了选区激光熔化合金成分的高效设计优化，为筛选适合选区激光熔化技术的合金材料提供了一种新思路、新方法。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所设计合金配置原料，制成合金坯锭；
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；
S3、将多个合金样块同时置于选区激光熔化设备的预制夹具之中，采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术。
2.根据权利要求1所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S3中，第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描。
3.根据权利要求2所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S3中，在进行第一次激光表面扫描处理之前，对合金样块进行激光表面扫描预处理，再通过观察获得的激光表面熔化层的状态确定第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的工艺参数。
4.根据权利要求3所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S3中，第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的步骤为：控制扫描速度为10-600mm/s，激光功率为50-300w，扫描间距为0.05-0.1mm进行扫描。
5.根据权利要求4所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S3中，所述预制夹具为在选区激光熔化基板上采用机加工得到9个或16个与多个合金样块尺寸相匹配的凹槽，凹槽高度为2mm。
6.根据权利要求5所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S4中，具体包括：将步骤S3获得的合金样块快速转移至高频感应炉中，并采用高频感应炉进行快速加热，加热温度为450-550℃，保温时间为5～60s，保温结束后将合金样块迅速用水淬冷至室温。
7.根据权利要求5所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S1中，具体包括：配制合金原料，将纯金属、中间合金、熔炼助剂混合后进行熔炼，获得合金熔体；熔炼方法为电阻炉熔炼、感应熔炼、真空熔炼的任意一种；再将合金熔体用具有扁形内腔的模具进行浇铸，制成板块状合金坯锭。
8.根据权利要求7所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S2中，预处理步骤具体包括：对合金坯锭进行均匀化处理，再对合金坯锭进行加工切割处理，制成圆形合金样块，所述合金样块的厚度为5～10mm，直径为20～30mm。
9.根据权利要求8所述的选区激光熔化铝合金的评价方法，其特征在于：在步骤S5中，根据合金样块的第二激光熔化层的开裂程度、孔隙尺寸和形貌、组织均匀性评价所设计的合金样块是否适合选区激光熔化成型。
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