夏伶勤，陳 光，張凌峰

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 增材制造學(xué)院，浙江 杭州 310059）

1 引言

ZL205A合金是一種高強高韌鋁合金，具有高比強度和剛度，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工領(lǐng)域。但其鑄造性能較差，另外，眾所周知航空軍用零件批量化需求數(shù)量不多，且零件的形狀和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，采用傳統(tǒng)的鋁合金鑄造成形技術(shù)已難以滿足軍用品的市場需求。激光選區(qū)熔化技術(shù)是一種新興的金屬快速成型技術(shù)，其在獲得高致密度和高精度構(gòu)件方面具有突出的優(yōu)勢，隨著近年來激光選區(qū)熔化技術(shù)的成熟，鋁合金的選區(qū)激光熔化技術(shù)成為研究的熱點。鋁合金激光選區(qū)熔化技術(shù)的研究和應(yīng)用多集中在鋁硅合金，而鋁銅合金激光選區(qū)熔化成形的報道較少，主要原因在于鋁銅合金的結(jié)晶溫度范圍較寬，成形效果不佳。歐陽奇等研究了退火溫度對激光選區(qū)燒結(jié)鋁銅合金性能的影響。

本課題采用霧化法制備的ZL205A合金粉末，設(shè)計了激光密度、掃描速度單一影響因素的對比試驗，測試試樣的致密度、顯微硬度以及顯微組織。分析了激光密度和掃描速度對激光選區(qū)熔化成形ZL205A合金的致密度、顯微硬度的影響。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗材料為北京航空材料研究院制備的ZL205A鋁合金粉末，其化學(xué)成分元素含量見表1。

表1 ZL205A合金粉末化學(xué)元素含量（單位：wt%）

本實驗所用的ZL205A合金粉末由氣霧法制作而成，粉末材料的粒度為15~60 μm，平均直徑為36 μm，90%粉末的粒度在58.4 μm以下。粉末形態(tài)如圖1所示，從圖中可以看出，有少量微型粉末、不規(guī)則粉末和空心粉末。實驗前需將合金粉末進(jìn)行真空預(yù)熱處理，預(yù)熱參數(shù)中，溫度為100℃，保溫3小時，確保合金粉末中的水分完全蒸發(fā)以免水發(fā)生分解在激光加熱熔化過程中形成氣孔，同時能夠提高合金粉末的流動性。

圖1 ZL205A合金粉末的微觀形貌

2.2 實驗方法

采用西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司開發(fā)的金屬打印機（BLT-A300）制作樣品。采用德國蔡司 EVO 18 掃描電鏡測試粉末的微觀形貌和試樣的顯微形貌。使用多功能密度儀（達(dá)宏美拓，AR-300PM）測量打印樣品的密度，測量精度為 0.001 g/cm。使用顯微硬度計（HV-1000）載荷為 50 mg 加載 10 s 進(jìn)行硬度測試。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 工藝參數(shù)對致密度的影響

SLM成形ZL205A合金致密度隨單一影響因素掃描速度或激光功率的變化規(guī)律如圖2所示。通過前期的研究基礎(chǔ)，將激光功率設(shè)為200W，測試致密度隨掃描速度的變化規(guī)律，由圖2可以看出，當(dāng)掃描速度較低時，致密度隨掃描速度的增加而增加，掃描速度為1 200 mm/s對致密度達(dá)到最大值94.5%，之后致密度隨掃描速度增加而降低。將掃描速度設(shè)為1 200 mm/s，測試致密度隨激光功率的變化規(guī)律，由圖2還可以看出，樣品的致密度隨激光功率的增加而增加，激光功率大于220 W之后，增速放緩。

圖2 致密度隨掃描速度和激光功率的變化規(guī)律

當(dāng)掃描速度低于800 mm/s時，試樣的致密度低于92%，性能無法滿足實際零件需求。造成這種結(jié)果的原因是激光掃描速度過低時，單位時間內(nèi)ZL205A合金粉末吸收的能量過多，瞬時熔化的液態(tài)金屬過多，造成液態(tài)金屬及金屬粉末的飛濺。部分飛濺的液態(tài)金屬凝固后恰好回落到激光掃描輪廓區(qū)，成為局部微區(qū)團聚形成了球化凸起。形成的球化凸起破壞了新一層鋪粉的連續(xù)性和平整性，在凸起周圍容易產(chǎn)生夾雜、氣孔等缺陷，而這些缺陷的存在導(dǎo)致致密度較低。當(dāng)掃描速度大于1 500 mm/s時，試樣的致密度明顯下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是激光掃描速度過快時，ZL205合金粉末吸收的能量過少，吸收的能量不足以將粉末完全熔化，未熔化的粉末混合在熔化后凝固的金屬里，形成夾雜等缺陷，導(dǎo)致試樣致密度較低。當(dāng)掃描速度在1 100~1 400 mm/s之間，試樣的致密度均高于94%，此時成形速度也適中，適合將來實際生產(chǎn)。

當(dāng)激光功率低于160 W時，試樣的致密度低于91.5%，無法投入使用。激光功率較低時，ZL205合金粉末吸收到的能量較少，尤其不同掃描道次之間重疊部分合金粉末熔化不充分，容易產(chǎn)生較多的不規(guī)則孔隙等缺陷。當(dāng)激光功率大于230 W之后，高能激光照射的熔池區(qū)域與非熔池區(qū)域存在較大的溫度差，冷卻時層內(nèi)收縮不均勻，從而容易發(fā)生翹曲變形，不利于零件加工。

3.2 工藝參數(shù)對顯微硬度的影響

SLM成形ZL205A合金顯微硬度隨著單一影響因素掃描速度或激光功率的變化規(guī)律如圖3所示。通過前期的研究基礎(chǔ)，將激光功率設(shè)為200 W，測試顯微硬度隨掃描速度的變化規(guī)律，由圖3可以看出，顯微硬度隨掃描速度先增大后減小。將掃描速度設(shè)為1 200 mm/s，測試顯微硬度隨激光功率的變化規(guī)律，由圖3可以看出，顯微硬度隨激光功率的增大也是先增大后減小。

圖3 顯微硬度隨著掃描速度和激光功率的變化規(guī)律

當(dāng)掃描速度為1 300 mm/s時，ZL205A激光粉末燒結(jié)試樣的顯微硬度達(dá)到最大值110.6 HV，掃描速度大于1 000 mm/s，熔化的液態(tài)金屬快速冷卻后晶粒較小，顯微硬度較大。掃描速度大于1 500 mm/s，冷卻速度雖然更快，但試樣中未熔化金屬粉末引起氣孔或球化等缺陷較多，降低了顯微硬度。

當(dāng)激光功率為210 W時，試樣顯微硬度達(dá)到最大值113.4 HV，激光功率過低或過高，對顯微硬度都下降，由于功率過低時，溫度梯度小，金屬粉末冷卻速度相對較慢，晶粒粗大硬度下降。而功率過高時，冷卻速度快，晶粒細(xì)小，但過多的缺陷是導(dǎo)致硬度下降的主要原因。因此，激光功率在190~220 W之間，是適合ZL205A合金粉末激光熔化燒結(jié)的合理區(qū)間。

3.3 顯微結(jié)構(gòu)

本文選取SLM工藝參數(shù)為掃描速度1 200 mm/s、激光功率200 W、掃描間距0.08 mm、鋪粉層厚0.04 mm的制備樣品。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對ZL205A合金粉末SLM成形試樣的顯微形貌進(jìn)行研究。腐蝕過后的SLM成形ZL205A合金試樣的金相圖和SEM圖如圖4所示?？梢钥闯?，ZL205A合金粉末SLM試樣顯微組織存在較多的裂紋和不規(guī)則大小的孔洞，裂紋相對均勻分布，但孔隙分布不均勻。如圖4a所示的顯微組織，可以觀察到條狀和橢圓狀的熔化道，每個小區(qū)域由很多扇形組織組成，這是由于激光掃描過程中，會將已經(jīng)凝固的金屬部分熔化而成，屬于金屬增材制造成型的典型形貌。由圖4b可以看出，孔隙四周及表面是光滑的，而孔隙兩側(cè)形貌差別很大。一側(cè)是重熔后的熔化道形貌，另一側(cè)是極為細(xì)小的蜂窩狀形貌。為進(jìn)一步確認(rèn)蜂窩狀形貌的成分，后續(xù)可借助EDS能譜進(jìn)行定性分析。

圖4 SLM ZL205A合金的顯微結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

1）在掃描速度 800~1 500 mm/s，激光功率 160~230 W的范圍內(nèi)，隨著掃描速度的增快或激光功率增大，ZL205合金粉末激光選區(qū)熔化成形試樣的致密度和顯微硬度都呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

2）ZL205 合金粉末激光選區(qū)熔化成形試樣的最優(yōu)成型參數(shù)是掃描速度 1 100~1 400 mm/s，激光功率190~220 W。

3）ZL205A 合金粉末SLM試樣顯微組織存在較多的裂紋和不規(guī)則大小的孔洞。