CN114309648A - AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金 - Google Patents
AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的实施例公开了一种AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金，该增材制造方法包括以下步骤：将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。根据本发明，其能够同时提高铝合金表面光洁度和强度。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特别涉及一种AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金。
背景技术
AlSi10Mg合金具有比强度高、密度低、优良的耐腐蚀性和导热导电性，尤其适用于需要轻量化结构和高强度的场合，在航空航天、船舶重工、交通运输等领域得到了广泛的应用。近一百年以来，铝合金构件主要通过锻造、铸造、焊接、机械连接等传统方法成形，但随着航空航天产业对绿色制造、降本减重要求的日益提高，飞机结构件的轻量化设计对成形方法提出了严峻挑战。激光增材制造技术正在成为解决飞机复杂构件制造的有效途径，尤其是以基于粉末床的选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM，又称激光粉床打印)和激光熔覆沉积(Laser claddingdeposition，LCD，又称激光送粉打印)增材制造技术为代表。铝合金激光增材制造技术可大幅减轻零件重量、降低成本，因此铝合金激光增材制造技术在航空、航天、汽车等轻量化、高性能复杂零件制造领域受到高度重视。
近年来，以钛合金为代表的金属激光增材制造技术发展迅速，而铝合金激光增材制造技术的发展相对缓慢及不成熟，由于铝合金粉末流动性差，对氧元素敏感，对激光具有低吸收、高反射性，容易在成形过程中形成未熔合孔洞和夹渣，导致其强度下降，力学性能较差。此外，由于应力易集中在表面，因此相较于内部缺陷，表面缺陷更易诱发裂纹萌生扩展、降低其机械性能甚至导致零件失效。现有技术往往采用对打印完的零件进行机加工、喷砂或者化学抛光的方式提高表面的质量和光洁度，但机加工具有成本高、耗时、操作难度大等缺点，喷砂具有不均匀性、增加表面应力、粉尘污染等缺点，且存在一些难以进行机加工和喷砂的表面，如零件内部通道、内部拐角、网格等结构；化学抛光具有环境污染、抛光能力有限，精细部位易受蚀损等缺点。因此，如何在克服以上缺点的基础上，采用一种新的方法提高增材制造AlSi10Mg合金件的表面质量和光洁度从而进一步提高其强度和美观性成为一项难题。
有鉴于此，实有必要开发一种AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金，以同时提高铝合金的表面光洁度和强度。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例公开了如下技术方案：
一方面，提供了一种AlSi10Mg合金的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；
逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率，打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述外部轮廓设有两道，分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓，打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率，打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述第一道外部轮廓采用如下参数进行打印成形：
激光功率为30W～150W；
扫描速度为300mm/s～1000mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
铺粉层厚为25μm～35μm。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述第二道外部轮廓采用如下参数进行打印成形：
激光功率为40W～160W；
扫描速度为500mm/s～1500mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
铺粉层厚为25μm～35μm。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述内部实体平面采用如下参数进行打印成形：
激光功率为180W～600W；
扫描速度为800mm/s～1800mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
扫描间距为60μm～120μm；
铺粉层厚为25～35μm。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，AlSi10Mg合金粉末的粒径为20μm～63μm，D10在20μm～30μm，D50在35μm～45μm，D90在55μm～65μm；
其中，D10表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径；
D50表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，又称为中值粒径；
D90表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述惰性气体的出气压力为5bar～8bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述成形舱的基板为Al-Mg系防锈铝或Al-Si系铝合金板材。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，两两相邻的所述外部轮廓之间的扫描间距为50μm～120μm。
除了上述公开的一个或多个特征和/或步骤之外，或者作为替代，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥中的至少一种。
另一方面，进一步公开了一种利用上述任一项所述增材制造方法制得的铝合金，除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，以质量百分比计，所述铝合金由以下成分组成：Si：9～11wt％；Mg：0.2～0.5wt％；Ti：≤0.15wt％；Sn：≤0.05wt％；Fe：≤0.55wt％；Zn：≤0.10wt％；Cu：≤0.05wt％；H：≤0.01wt％；O：≤0.1wt％，余量为Al及不可避免杂质。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述铝合金的抗拉强度为460～520MPa，屈服强度260～330MPa，表面粗糙度Ra为6～8μm。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于通过上述技术方案制备获得的AlSi10Mg合金的内部实体组织表现为共晶Si以网络状的形式分布在α-Al基体中，将α-Al分割为大小不一的近椭圆形，其中包含细晶区、粗晶区、热影响区；而外部轮廓表现为更细小的共晶硅和Al基组织，只有细晶区，显著提高了铝合金的表面硬度和性能，从而在提高铝合金表面光洁度同时又提高了铝合金的强度，此外，光滑的外表面也是提升AlSi10Mg合金力学性能的因素之一。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1(a)～图1(c)为本发明实施例所采用的AlSi10Mg合金粉末的微观形貌；
图2为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金在垂直和水平方向上的内部实体组织光学显微照片；
图3为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金内部实体组织X5000放大倍数的SEM显微组织照片，其中，1区为细晶区，2区为粗晶区，3区为热影响区；
图4为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金在水平方向上内部实体组织X50000放大倍数的SEM显微组织照片；
图5为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金的近表面局部形貌；
图6为根据对比实施例制得的AlSi10Mg合金的近表面局部形貌。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
本实施例提供的方法是为了在提高铝合金表面光洁度的同时又能提高铝合金的强度，从而使得依照本实施例公开的方法制得的铝合金能够满足在轻量化、高性能复杂零件制造领域的性能需求，本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法，包括以下步骤：
将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；
逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。
图1(a)为本实施例采用的AlSi10Mg合金粉末的微观形貌。从图1(a)中可以看出，该合金粉末呈球形，偶见卫星粉，本实施例中的合金粉末的D10＝22.1μm，D50＝36.5μm，D90＝58μm，此外，90％以上的粉末粒径集中在20～63μm之间，质量一致、干燥无团聚块，有利于提高铝合金制件的致密度。在下文及整个说明书中，术语“D10”应理解为一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径；术语“D50”应理解为一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，又称为中值粒径；术语“D90”应理解为一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径。
在实际打印过程中，还需完成一些准备工作，例如：先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，铺粉辊将粉末从供粉舱带入成形舱，激光束根据模型进行扫描打印，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝合金制件。为了保证打印效果，试验前用酒精擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置，并在成形舱中充入惰性气体保护，可选择的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥，在本实施例中优选氩气。进一步地，本实施例所述惰性气体的出气压力为5bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
作为进一步改进，打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率，打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度。
作为进一步改进，打印第一道外部轮廓的激光功率小于打印第二道外部轮廓的激光功率，打印第一道外部轮廓的扫描速度小于打印第二道外部轮廓的扫描速度。
在本实施例中，所述外部轮廓设有两道，分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓，打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率，打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
本实施例中打印内部实体平面所采用的激光工艺参数为：激光功率400W，扫描速度1400mm/s，光斑尺寸100μm，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。由于扫描速度较快，所以采用较高的激光功率，提高线能量密度，防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成未熔合和层间缺陷。
本实施例中打印第一道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率30W，扫描速度500mm/s，光斑尺寸100μm，铺粉厚度30μm。相较于内部实体打印工艺参数，激光功率和扫描速度大幅下降，在保证激光能量密度能够充分熔融粉末的前提下，有效防止激光功率过高带来的重熔深度过大和粉末飞溅。
本实施例中打印第二道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率50W、扫描速度900mm/s、光斑尺寸100μm、铺粉厚度30μm。相较于第一道外部轮廓的打印工艺参数，激光功率有略微的提升，配置相对较高的扫描速度，在保证激光能量密度能够充分熔融粉末的前提下，进一步降低激光能量密度，散热速度更快，利于形成晶粒更细的坚硬而光滑的组织，防止过烧和未熔粉末粘污，为的是得到平整光滑的外表面。
在本实施例中，成形舱的基板为Al-Mg系防锈铝。
作为进一步改进，所述第一道外部轮廓和第二道外部轮廓的扫描间距为100μm。
在本实施例中，以质量百分比计，依照上述制备方法制得的铝合金由以下成分组成：Si：9.48wt％；Mg：0.28wt％；Ti：0.01wt％；Sn：0.01wt％；Fe：0.12wt％；Zn：0.013wt％；Cu：0.01wt％；H：0.0017wt％；O：0.02wt％，余量为Al及不可避免杂质。
图2为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金在垂直和水平方向上的内部组织光学显微照片。宏观上，垂直方向上的组织呈现鱼鳞状，为一个个胞状晶粒按层分布，单个鱼鳞状组织直径在30～100μm，由于每层激光扫描的路径不同，相邻层的鱼鳞状组织呈交错状；水平方向组织呈条带状，为熔滴滚动轨迹的或者说熔池的延伸轨迹，单条的宽度在50～100μm，长度在300～900μm。图2中虚线表示熔池界线，即两个熔池的搭接处，该处枝晶较熔池内部的较粗大，且呈胞状生长，这是由于熔化道搭接处的组织经历了2次热源，相当于进行了重熔，所以此处的组织较其它地方大，而熔池内部为枝晶结构，在本实施例激光打印工艺参数下，晶粒组织细小、均匀、致密分布，无气孔、疏松、夹杂缺陷。沿熔池界线分布着连续析出相，主要为共晶Si析出相，起到了析出强化作用。
图3为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金内部实体组织X5000放大倍数的SEM显微组织照片，1区为细晶区，2区为粗晶区，3区为热影响区。
图4为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金在水平方向上内部实体组织X50000放大倍数的SEM显微组织照片。由图中可以看出，灰色α-Al基体上分布着白色网络状共晶Si，在本实施例激光打印工艺参数下，α-Al胞状晶粒细小共晶Si连续分布，宽度较小，尺寸在0.3～1.8μm，大小均匀的近椭圆形α-Al相组织使得内部实体组织均匀致密，力学性能稳定均一，细小的共晶硅沿熔池边缘或晶界析出，起析出强化作用。
图5为根据本发明实施例1制得的AlSi10Mg合金的近表面局部形貌。暗区表示熔池界线、明区代表熔池；白色框内的为外部轮廓扫描形成的组织形貌，比内部实体的组织要细小，有利于提高表面硬度和强度，可见铝合金表面较光滑，未见未熔粉末。
实施例二
本实施例提供的方法是为了在提高铝合金表面光洁度的同时又能提高了铝合金的强度，从而使得依照本实施例公开的方法制得的铝合金能够满足在轻量化、高性能复杂零件制造领域的性能需求，本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法，包括以下步骤：
将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；
逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。
图1(b)为本实施例采用的AlSi10Mg合金粉末的微观形貌。从图1(b)中可以看出，该合金粉末呈球形，偶见卫星粉，本实施例中的合金粉末的D10＝21.7μm，D50＝35.5μm，D90＝56.5μm，此外，90％以上的粉末粒径集中在20～63μm之间，粉末粒径分布集中、质量一致、干燥无团聚块，有利于提高铝合金制件的致密度。
在实际打印过程中，还需完成一些准备工作，例如：先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，铺粉辊将粉末从供粉舱带入成形舱，激光束根据模型进行扫描打印，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝合金制件。为了保证打印效果，试验前用酒精擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置，并在成形舱中充入惰性气体保护，可选择的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥，在本实施例中优选氩气。进一步地，本实施例所述惰性气体的出气压力为6bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
作为进一步改进，打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率，打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度。
在本实施例中，所述外部轮廓设有两道，分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓，打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率，打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
本实施例中打印内部实体平面所采用的激光工艺参数为：激光功率550W，扫描速度1700mm/s，光斑尺寸120μm，扫描间距120μm，铺粉厚度35μm。由于扫描速度较快，所以采用较高的激光功率，提高线能量密度，防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成孔隙、夹渣等缺陷。
具体地，本实施例中打印第一道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率150W，扫描速度1000mm/s，光斑尺寸120μm，铺粉厚度35μm。
具体地，本实施例中打印第二道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率160W、扫描速度1500mm/s、光斑尺寸120μm、铺粉厚度35μm。
在本实施例中，成形舱的基板为Al-Si系铝合金板材。
作为进一步改进，所述第一道外部轮廓和第二道外部轮廓的扫描间距为110μm。
在本实施例中，以质量百分比计，依照上述制备方法制得的铝合金由以下成分组成：Si：9.53wt％；Mg：0.35wt％；Ti：0.032wt％；Sn：0.025wt％；Fe：0.05wt％；Zn：0.024wt％；Cu：0.02wt％；H：0.0027wt％；O：0.076wt％，余量为Al及不可避免杂质。
实施例三
本实施例提供的方法是为了在提高铝合金表面光洁度的同时又能提高了铝合金的强度，从而使得依照本实施例公开的方法制得的铝合金能够满足在轻量化、高性能复杂零件制造领域的性能需求，本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法，包括以下步骤：
将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；
逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。
图1(c)为本实施例采用的AlSi10Mg合金粉末的微观形貌。从图1(c)中可以看出，该合金粉末呈球形，偶见卫星粉，本实施例中的合金粉末的D10＝22μm，D50＝36.4μm，D90＝58.8μm，此外，90％以上的粉末粒径集中在20～63μm之间，粉末粒径分布集中、质量一致、干燥无团聚块，有利于提高铝合金制件的致密度。在实际打印过程中，还需完成一些准备工作，例如：先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，铺粉辊将粉末从供粉舱带入成形舱，激光束根据模型进行扫描打印，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝合金制件。为了保证打印效果，试验前用酒精擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置，并在成形舱中充入惰性气体保护，可选择的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥，在本实施例中优选氩气。进一步地，本实施例所述惰性气体的出气压力为8bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
作为进一步改进，打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率，打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度。
在本实施例中，所述外部轮廓设有两道，分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓，打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率，打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
本实施例中打印内部实体平面所采用的激光工艺参数为：激光功率460W，扫描速度1550mm/s，光斑尺寸117μm，扫描间距110μm，铺粉厚度27μm。由于扫描速度较快，所以采用较高的激光功率，提高线能量密度，防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成孔隙、夹渣等缺陷。
具体地，本实施例中打印第一道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率90W，扫描速度800mm/s，光斑尺寸117μm，铺粉厚度27μm。
具体地，本实施例中打印第二道外部轮廓所采用的激光工艺参数为：激光功率120W、扫描速度1200mm/s、光斑尺寸117μm、铺粉厚度27μm。
在本实施例中，成形舱的基板为Al-Mg系防锈铝。
作为进一步改进，所述第一道外部轮廓和第二道外部轮廓间的扫描间距为105μm。
在本实施例中，以质量百分比计，依照上述制备方法制得的铝合金由以下成分组成：Si：9.34wt％；Mg：0.34wt％；Ti：0.02wt％；Sn：0.05wt％；Fe：0.088wt％；Zn：0.05wt％；Cu：0.028wt％；H：0.0042wt％；O：0.086wt％，余量为Al及不可避免杂质。
对比实施例
本对比实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法，包括以下步骤：
图1(a)也为对比实施例采用的AlSi10Mg合金粉末的微观形貌。对比实施例中的合金粉末的D10＝22.1μm，D50＝36.5μm，D90＝58μm，将AlSi10Mg合金粉末在成形舱中进行铺粉操作，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层逐层激光扫描，以进行逐层打印成形；
重复上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形，其中，90％以上的粉末粒径集中在20～63μm之间。
在实际打印过程中，还需完成一些准备工作，例如：先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，铺粉辊将粉末从供粉舱带入成形舱，激光束根据模型进行扫描打印，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝合金制件。进一步地，本对比实施例所述惰性气体的出气压力为5bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
本对比实施例中所采用的激光工艺参数为：激光功率400W，扫描速度1400mm/s，光斑尺寸100μm，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。
在本实施例中，以质量百分比计，依照上述制备方法制得的铝合金由以下成分组成：Si：9.48wt％；Mg：0.28wt％；Ti：0.01wt％；Sn：0.01wt％；Fe：0.12wt％；Zn：0.013wt％；Cu：0.01wt％；H：0.0017wt％；O：0.02wt％，余量为Al及不可避免杂质。
图6为对比实施例的近表面局部形貌，可以看出，没有明显外部轮廓组织，表面较粗糙，并存在未熔粉末。
试验方法
项目：铝合金试样拉伸试验
过程：将依据实施例1或实施例2或实施例3或对比实施例中的制备方法制备的铝合金制成铝合金标准拉伸试样，并将各个实施例下的铝合金试样分别固定到材料试验机(ZWICK-Z250电子万能试验机)上进行室温状态下的拉伸试验，拉伸试验结果见表1所示。
检测方法
项目：铝合金试样表面粗糙度检测
过程：将依据实施例1或实施例2或实施例3或对比实施例中的制备方法制备的铝合金制成持铝合金表面粗糙度测试试样，并将各个实施例下的铝合金试样分别采用电动轮廓仪比较法进行表面粗糙度检测，表面粗糙度检测结果见表1所示。
表1AlSi10Mg合金拉伸强度和外表面粗糙度测试结果
| 实施例 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | Ra(μm) |
| 实施例1 | 505 | 286 | 6～7 |
| 实施例2 | 487 | 312 | 6～7 |
| 实施例3 | 483 | 311 | 7～8 |
| 对比实施例 | 364 | 256 | 10～12 |
结论：从表1中可以看出，采用本申请所提供的技术方案对增材制造工艺进行改进和调控，打印了AlSi10Mg合金外部轮廓的实施例1、2、3比未打印AlSi10Mg合金外部轮廓的对比实施例的强度均有明显提高，具体地，抗拉强度提升了约40％，屈服强度提升了约12％，表面粗糙度显著降低，具体地，表面粗糙度降低了约50％。表明本发明实施例公开的方法可有效提升AlSi10Mg合金制件的强度并降低表面粗糙度。
进一步分析实施例1和对比实施例制件的照片发现，在实施例1条件下AlSi10Mg合金制件的内部实体组织表现为共晶Si以网络状的形式分布在α-Al基体中，将α-Al分割为大小不一的近椭圆形，包含细晶区、粗晶区、热影响区，而外部轮廓表现为更细小的共晶硅和Al基组织，只有细晶区，显著提高了铝合金的表面硬度和性能。进一步分析近表面局部形貌发现，实施例1条件下形成了表面光洁度较高的外部轮廓，从而在提高铝合金表面光洁度同时又提高了铝合金的强度，而对比实施例条件下的外部轮廓粗糙度较高，拉伸强度较低，因为光滑的外部轮廓有效的减少了拉伸过程的表面应力集中，因此提升了AlSi10Mg合金的力学性能。
此外，第一道外部轮廓为最靠近内部实体平面的第一圈，第二道外部轮廓为靠近第一道外部轮廓的第二圈。使用两道外部轮廓激光扫描的原因及作用如下：
1)相较于内部实体，第一道外部轮廓的扫描参数大幅降低了激光功率，相应的降低了扫描速度，因此总体来说结果是激光能量密度降低，减少了高激光功率带来的粉末受冲击飞溅，使该圈成形的组织更加均匀致密，夹渣和孔洞数量明显减少；
2)第二道外部轮廓采用比内部实体低而比第一道外部轮廓高的的激光功率和扫描速度，与第一道外部轮廓相比，略微提高了激光功率，较大的提高了扫描速度，因此总体来说结果是激光能量密度进一步降低，同样减少了高激光功率带来的粉末受冲击飞溅，使该圈成形的组织更加均匀致密，另外，在激光能量足以熔化AlSi10Mg合金粉末的前提下进一步降低激光能量密度会使得的外圈的散热速度更快，更有利于形成坚硬而光滑的组织(晶粒更细的网络状共晶硅和α-Al)，对内部组织起到隔离和保护作用，相比于只扫描一道外部轮廓，扫描两道外部轮廓可以更有效的覆盖内部组织表面，使得成形件表面更加光滑；
3)两道外部轮廓扫描即可达到改善近表面组织、降低表面粗糙度、提高表面质量的目的，采用三道及以上的外部轮廓扫描道数也可实现本发明的有益效果，但不是必须的，因为更多的扫描道数会显著增加打印时间和成本，而带来的有益效果却不明显，不具备经济性。
以上对本发明实施例所提供的一种AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种AlSi10Mg合金的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上，形成合金粉末层；
在惰性气体的保护下，对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形，其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形；
逐层执行上述打印层的成形过程，直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形。
2.如权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率，打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度。
3.如权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述外部轮廓设有两道，分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓，打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率，打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
4.如权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述第一道外部轮廓采用如下参数进行打印成形：
激光功率为30W～150W；
扫描速度为300mm/s～1000mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
铺粉层厚为25μm～35μm。
5.如权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述第二道外部轮廓采用如下参数进行打印成形：
激光功率为40W～160W；
扫描速度为500mm/s～1500mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
铺粉层厚为25μm～35μm。
6.如权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述内部实体平面采用如下参数进行打印成形：
激光功率为180W～600W；
扫描速度为800mm/s～1800mm/s；
光斑尺寸为80μm～120μm；
扫描间距为60μm～120μm；
铺粉层厚为25～35μm。
7.如权利要求1～6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，AlSi10Mg合金粉末的粒径为20μm～63μm，D10在20μm～30μm，D50在35μm～45μm，D90在55μm～65μm；
其中，D10表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径；
D50表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，又称为中值粒径；
D90表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径。
8.如权利要求1～6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体的出气压力为5bar～8bar，成形舱内的氧含量低于100ppm。
9.如权利要求1～6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述成形舱的基板为Al-Mg系防锈铝或Al-Si系铝合金板材。
10.如权利要求1～6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，两两相邻的所述外部轮廓之间的扫描间距为50μm～120μm。
11.如权利要求1～6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥中的至少一种。
12.一种利用如权利要求1～11任一项所述增材制造方法制得的铝合金，其特征在于，以质量百分比计，所述铝合金由以下成分组成：Si：9～11wt％；Mg：0.2～0.5wt％；Ti：≤0.15wt％；Sn：≤0.05wt％；Fe：≤0.55wt％；Zn：≤0.10wt％；Cu：≤0.05wt％；H：≤0.01wt％；O：≤0.1wt％，余量为Al及不可避免杂质。
13.如权利要求12所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度为460～520MPa，屈服强度260～330MPa，表面粗糙度Ra为6～8μm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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