选区激光熔化成形Al-Si合金及其裂纹形成机制研究

AlSi10Mg合金的 SLM工艺控制的研究进展摘要：一些形状复杂的铝合金常以AlSi10Mg合金粉末为材料，通过选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)技术制造得来，主要应用于航空、汽车等领域。

本文主要讨论AlSi10Mg的SLM工艺控制点。

关键词：AlSi10Mg合金；SLM工艺；微观结构；综合性能0 引言铝合金具有轻质、高比强度等特点，被广泛应用于航天、汽车等行业领域的轻量化设计中。

AlSi10Mg合金是Al-Si-Mg系亚共晶合金的一种，因其良好的流动性与气密性[1]而具有较好的使用效果。

随着轻量化要求的提出，合金构件的形状复杂程度提升[2]，激光选区熔化技术是实现高性能构件复杂成型的有效途径。

本文主要论述AlSi10Mg的SLM工艺控制要点。

1 SLM技术原理SLM技术是一种以高能激光束为热源[3]、金属粉末为原料的增材制造技术。

工作原理是按照规划好的路径，激光束逐层选区熔化堆积得到组织致密的金属构件。

操作人员通常利用建模软件如CAD设计模型，对三维模型进行切片处理，将文件导入SLM成型设备中。

等到逐层加工完成后，将成品从基板上取下，进行热处理等后续工艺，以便得到满足性能要求的金属构件。

2 SLM技术对AlSi10Mg粉末的性能要求粉末主要采用无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA)和等离子旋转电极雾化法(PREP)[4,5]制备。

评价指标主要包括化学成分、比表面积、粒径分布、球形度、流动度和松装密度等。

SLM技术要求AlSi10Mg粉末尽可能粒径分布窄、球形度高、流动性好、氧含量低、松装密度高[4-6]。

3 AlSi10Mg合金的SLM工艺规律SLM工艺参数是AlSi10Mg合金的SLM过程中对试样质量影响较大的因素。

常见的SLM工艺参数有扫描间距、激光功率、层厚、扫描速度、点距等，通过合理调整这些参数，能够获得组织致密的合金构件，使其呈现出较少的表面缺陷与孔洞。

选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究一、本文概述随着增材制造技术的快速发展，选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）作为一种先进的金属增材制造技术，已经广泛应用于航空航天、医疗生物、汽车制造等领域。

由于其独特的逐层堆积成型方式，SLM技术在制造复杂结构和高性能金属部件方面具有显著优势。

然而，SLM过程中涉及的高温、快速冷却和复杂的热应力变化，往往导致成型件产生热裂纹、翘曲变形等缺陷，严重影响了部件的质量和性能。

因此，对SLM过程中的温度场和应力场进行深入研究，对于优化成型工艺、提高部件质量具有重要意义。

本文旨在通过数值模拟方法，研究选区激光熔化AlSi10Mg过程中的温度场和应力场变化规律。

我们将建立SLM过程的数学模型，包括激光与粉末材料的相互作用、粉末的熔化与凝固过程、热传导与热对流等物理现象。

然后，利用有限元分析软件，模拟不同工艺参数下AlSi10Mg材料的温度分布和应力分布。

通过分析模拟结果，我们可以深入了解SLM过程中温度场和应力场的演变规律，揭示影响成型质量的关键因素。

本文还将探讨如何通过优化工艺参数、改善热管理等方式，降低SLM过程中的热应力，减少成型缺陷，提高AlSi10Mg部件的质量和性能。

我们期望通过本研究，为SLM技术在AlSi10Mg等高性能金属材料的应用提供理论支持和实践指导。

二、文献综述随着增材制造技术的快速发展，选区激光熔化（Selective Laser Melting，简称SLM）作为其中的一种重要工艺，已经在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域展现出广泛的应用前景。

AlSi10Mg铝合金，作为一种轻质高强度的金属材料，在SLM工艺中备受关注。

然而，SLM过程中产生的温度场和应力场对零件的质量和性能具有重要影响。

因此，对AlSi10Mg在SLM过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究，对于优化工艺参数、提高零件质量具有重要意义。

选择性激光熔化AlSi10Mg合金组织形貌及其拉伸性能王学才;卢云;何仲云;袁广辰【摘要】在不同激光功率、扫描速度等工艺参数条件下,使用选择性激光熔化设备(SLM100)3D打印成型AlSi10Mg合金拉伸试样,采用Olympus BX5光学显微镜与JEOL JSM-6490LV型扫描电子显微镜观察成型试样的显微组织形貌,研究激光功率、扫描速度对试样拉伸性能的影响.结果显示:成型试样的显微组织呈鱼鳞状或长条状,相互搭接且组织尺寸较小;在激光功率为190 W时,试样抗拉强度随扫描速度降低而增大,当扫描速度为800 mm/s时抗拉强度最高可达371 MPa,固定此扫描速度,抗拉强度随着功率增大而增大;试样的断裂方式为准解理断裂;保持激光能量密度不变,采用高功率、高扫描速度(320 W, 1600 mm/s)成型的试样抗拉强度更大,达到451 MPa.%AlSi10Mg alloy tensile samples were fabricated by selective laser melting equipment(SLM100)under different laser powers and scanning speeds.The microstructure of the molded samples was observed with Olympus BX5 optical microscope and JEOL JSM-6490LV scanning electron microscope.The effects of laser power and scanning speed on the tensile properties of the samples were investigated.The results show that microstructures of the molded samples are fish scale and elongated cells parallel to the stacking direction,which are overlapped and have fine dendritic cells.When the laser power reaches 190 W,the tensile strength of the sample increases with the decrease of the scanning speed.When the scanning speed is set to be 800 mm/s,the tensile strength is up to 371 MPa. The tensile strength increases with the increase of the laser power at the fixed scanning speed. The fracture mechanism of the tested samples isproved to be quasi-cleavage fracture.At the same line-energy, the tensile strength of the tested sample reaches as high as 451 MPa with a processing combination of high power and high scanning speed(320 W,1 600 mm/s).【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】7页(P234-240)【关键词】选择性激光熔化;AlSi10Mg;工艺参数;抗拉强度【作者】王学才;卢云;何仲云;袁广辰【作者单位】安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243032;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243032;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243032;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243032【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+1选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是近年来迅速发展的多学科交叉新兴技术，具有成型精度高、速度快、无需模具、成本损耗低等优点[1-2]。

激光选区熔化制造工艺的影响因素研究作者：刘晓飞来源：《科技风》2020年第23期摘要：本文概述了激光选区熔化增材制造（SLM）的过程，从温度控制、原料粉性质和特性、工艺参数、扫描方法、后处理等因素进行研究分析不致密化程度与激光缺陷的原因。

关键词：激光;增材制造;工艺参数;影响选区激光熔化（SLM）是在已有选择性激光烧结技术的基础上发展起来的，其中烧结或部分熔融是导致粉末快速凝固的唯一机制。

SLM在材料表面形貌、致密化和微观结构均匀性方面的显著改善。

SLM金属具有更精细的微观结构，从而产生具有更高屈服应力的更强材料。

通过改变加工参数可以显著改变SLM零件的微观结构特征。

1 SLM技术的工作原理SLM装置的基本设置是建造活塞支撑建造平台、加固部件和任何未固结金属粉末。

高功率激光跟踪剖切构成任何已建零件几何图形的曲面。

然后将生成的切片焊接到先前绘制的零件截面。

一旦该层的建造完成，建造活塞垂直向下移动相当于一层厚度的量，之后，通过在其上扫过的再水臂在建造平台上沉积一层新的未固结粉末。

此过程将继续，直到零件完成。

大多数SLM处理是在惰性保护气体（如氮气或氩气）下进行的，以减少建筑物的氧化、充电和孔隙率。

零件完成后，卸下残余粉末，并从机器上移除构建平台。

有时需要进行研磨，以便从构建平台和零件上移除支撑，以备使用。

在某些情况下，SLM后可进行额外的后处理，如热处理、热等静压（HIP）、抛光和喷丸处理，以改善致密化、表面特性和机械性能。

2 影响因素分析2.1 温度控制在选择SLM加工方式时必须考虑加工过程的冷却—加热循环，因为对恒定热循环敏感的材料可能表现出不同于最初在恒定温度波动下预期的特性。

在SLM制造过程的热循环过程中发生的热膨胀和收缩效应往往导致产品中产生比通过传统制造过程获得的产品更多的残余应力;这些应力可能导致开裂和分层的关键缺陷。

此外，如果建造温度控制不当，熔融粉末可能会形成球状，从而有效地破坏建造。

第1篇一、实验目的本实验旨在研究铝合金表面改性技术，通过激光熔覆、激光选区熔化等工艺对铝合金进行改性处理，提高其表面硬度、耐磨性、导热性等性能，为铝合金在航空航天、交通运输、建筑等领域中的应用提供技术支持。

二、实验材料与设备1. 实验材料：铝合金（2024、AlSi10Mg、AlMgSi等）2. 实验设备：激光熔覆机、激光选区熔化设备、金相显微镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、导热系数测试仪等。

三、实验方法1. 激光熔覆实验：将铝合金基材表面预置硅粉，采用横流CO2高激光器进行激光处理，研究熔覆工艺参数对覆层质量的影响，包括激光功率、扫描速度、激光束直径等。

2. 激光选区熔化实验：将2024铝合金粉末与AlSi10Mg合金粉末混合，形成AlSi10Mg-2024(TiC)混合粉末，采用激光选区熔化工艺进行成形，并对其沉积态和T6热处理态的显微组织及力学性能进行表征。

3. 淬火时效实验：对铝合金进行淬火处理，测定其时效曲线，分析淬火温度、保温时间等因素对铝合金力学性能的影响。

4. 导热系数测试：对改性铝合金进行导热系数测试，分析改性处理后铝合金的导热性能。

四、实验结果与分析1. 激光熔覆实验结果与分析通过调整激光功率、扫描速度、激光束直径等工艺参数，发现当激光功率为 2.5kW、扫描速度为1m/s、激光束直径为0.8mm时，铝合金表面熔覆层质量较好，表面平整、光滑，无明显裂纹、气孔等缺陷。

2. 激光选区熔化实验结果与分析激光选区熔化过程中，TiC颗粒可作为异质形核点，促进Al形核，抑制粗大柱状晶的形成，显著细化铝合金的显微组织。

T6热处理态的力学性能测试结果表明，激光选区熔化后的铝合金具有较高的抗拉强度、屈服强度和伸长率。

3. 淬火时效实验结果与分析淬火时效实验表明，随着淬火温度的升高，铝合金的硬度和强度逐渐提高，但伸长率逐渐降低。

在淬火温度为530℃、保温时间为2h的条件下，铝合金的力学性能达到最佳状态。

选区激光熔化技术选区激光熔化技术是一种高端的制造工艺，它利用激光束对金属进行加热，使其熔化并在凝固时形成精密的结构。

这种技术在航空航天、汽车、医疗设备等领域得到广泛应用，因为它可以生产高质量、高精度的零部件。

在本文中，我们将介绍选区激光熔化技术的基本原理、应用、优点和限制。

一、选区激光熔化技术的基本原理选区激光熔化技术是一种非接触式的生产工艺，它利用激光束对金属进行加热，使其熔化。

激光束的能量密度非常高，可以使金属迅速升温至其熔点以上。

在激光束的作用下，金属表面的温度会迅速升高，直到熔化。

一旦金属开始熔化，激光束的功率会被调整，以保持金属表面的温度在其熔点以上，但不高于其沸点。

在这种情况下，金属可以熔化，但不会汽化。

在选区激光熔化过程中，激光束被聚焦在金属表面上，形成一个非常小的熔池。

激光束的焦点可以被控制，因此可以精确地控制熔池的位置和大小。

可以使用计算机控制系统来控制激光束的位置和功率，以形成所需的形状。

当金属开始凝固时，激光束的功率会被降低，以保持温度在熔点以下，但高于室温。

在这种情况下，金属会逐渐凝固，形成所需的形状。

二、选区激光熔化技术的应用选区激光熔化技术在许多领域得到了广泛的应用。

其中最常见的是航空航天和汽车工业。

在这些行业中，需要生产高质量、高精度的零部件，以确保安全和可靠性。

选区激光熔化技术可以生产出非常复杂的形状，例如复杂的几何形状和内部结构，这些结构无法通过传统的加工方法实现。

此外，选区激光熔化技术可以生产出非常高质量的表面，这对于需要高精度表面的应用非常重要。

选区激光熔化技术还可以用于医疗设备制造。

医疗设备需要具有高度的可靠性和精度，以确保其有效性和安全性。

选区激光熔化技术可以生产出非常精密的零部件，例如人工关节和牙科支架。

这些部件具有非常复杂的形状和内部结构，可以精确地适应人体的需求。

三、选区激光熔化技术的优点和限制选区激光熔化技术具有许多优点。

首先，它可以生产出非常复杂的形状和内部结构，这些结构无法通过传统的加工方法实现。

选区激光融化技术引言激光融化技术是一种先进的制造技术，被广泛应用于各个领域。

尤其是在选区激光融化技术中，其精确性和可控性使其成为材料制造和3D打印领域的热门研究课题。

本文将对选区激光融化技术进行全面、详细、完整且深入地探讨。

二级标题1：选区激光融化技术的概念和原理选区激光融化技术，也被称为选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，简称SLM），是一种通过激光束瞄准目标材料并进行局部加热，使其融化并与底层材料融为一体的制造技术。

其原理主要包括以下几个方面：1.初始材料：选区激光融化技术使用粉末材料作为初始材料，目前常用的材料包括金属、陶瓷等。

这些粉末材料具有良好的流动性和熔点，适合于激光的加工。

2.光束瞄准：通过计算机控制系统，激光束被精确地瞄准到目标材料的特定位置。

光束的能量密度非常高，能够快速加热目标材料并使其融化。

3.材料融化：一旦激光束照射到目标材料上，能量会被吸收，并导致材料局部融化。

由于激光束的高能量密度，材料融化非常快速。

4.融化层与底层结合：融化的材料与底层材料之间的黏结作用力使其结合在一起，形成一个连续的物体。

这种结合具有很高的强度和密度，使制造出的产品具有良好的性能。

二级标题2：选区激光融化技术的应用选区激光融化技术在各个领域都有着广泛的应用。

以下是一些主要领域的应用示例：三级标题1：航空航天1.制造复杂结构件：选区激光融化技术可以制造出复杂形状的金属件，满足航空航天领域对轻量化和高强度的需求。

2.修复和再制造：选区激光融化技术可以修复损坏的航空航天部件，并使其恢复到原始设计规格。

三级标题2：医疗领域1.制造个性化植入物：选区激光融化技术可以根据患者的具体情况制造个性化的植入物，提高植入物与组织的匹配度。

2.快速制造医疗器械：选区激光融化技术可以快速制造医疗器械，满足紧急救援和手术需求。

三级标题3：汽车制造1.制造复杂结构件：选区激光融化技术可以制造汽车发动机部件等复杂结构件，提高汽车的性能和可靠性。

2018年第38卷航空材料学报2018,V〇1.38第 1 期第 47 - 53 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No. 1 pp. 47 - 53激光选区熔化用AlSilOMg粉末显微组织与性能唐鹏钩12，何晓磊12，杨斌1’2，邵翠1’2，王兴元12，黄粒1，，李沛勇12(1.中国航发北京航空材料研究院，北京100095; 2.北京市先进铝合金材料及应用工程技术中心，北京100095)摘要:采用超音速气体雾化制备A lS lO M g粉末，粉末经分级后通过激光选区熔化制成试块。

利用金相显微镜、扫 描电子显微镜、X射线衍射仪研究粉末和试块的微观组织、组成相及演变情况，通过拉伸实验测试试块的室温拉伸 性能。

结果表明,A lS10M g粉末粒径分布符合激光选区熔化工艺要求，粉末呈球形或类球形。

粉末组织细小均匀，主要由a( A1)基体和（a+ S)共晶组成。

试块熔池形貌清晰可见，组织均匀、致密,其致密度达到99.5%;该组织中 仅存在a( A1)和极少量S相,几乎所有合金元素均固溶于A1基体中。

经室温拉伸性能测试，试块的抗拉强度达到了 442 MPa。

关键词：激光选区熔化;A110M g粉末;显微组织d o i：10. 11868/j. issn. 1005-5053. 2017. 000120中图分类号：T G146.2 +1文献标识码：A激光选区溶化（（elective laser melting,SLM)是 目前比较成熟、已实现商业化应用的金属增材制造 技术之一。

该技术由于能够实现复杂结构件的快速 制备，具备小批量制造速度快，材料利用率高，适应 性好等优点，在航空航天、生物医疗等领域展现出了 良好的发展前景[12]。

该技术熔化扫描速率快，通常 可达到500 ~ 2000 mm/s,单层粉末厚度约为20 ~ 10叫!，扫描熔化深度（间距）约为10 @。

粉末 熔化后的冷却速率通常达到105〜106K/s。

ＤＯＩ：１０．１６１８５／ｊ．ｊｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．２０２０．０１．００９ｈｔｔｐ：／／ｘｂ．ｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ激光选区熔化成形组织及性能研究邰鹤立，坚增运（西安工业大学材料与化工学院，西安７１００２１）摘　要：　为研究激光选区熔化（ＳＬＭ）成形工艺参数（激光功率和扫描速度）对ＳｉＣｐ／Ａｌ Ｓｉ１０Ｍｇ致密度和机械性能的影响规律，通过对ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ复合材料进行ＳＬＭ成形，采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ复合材料显微组织及形貌，采用阿基米德排水法测试其致密度，同时对成形件的显微硬度进行分析。

研究结果表明：所制备试样中ＳｉＣ增强颗粒分布较为均匀，并与基体结合紧密。

获得的ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ成形件最高致密度可达到９６．５４％，其ＳＬＭ的表面硬度远高于铸件标准；激光功率作为影响材料微观组织及力学性能的因素之一，决定了能量密度（η）的大小，当η达到４８Ｊ·ｍｍ－３时，成形试样的显微硬度平均值为２４０．０６ＨＶ。

研究为ＳＬＭ成形ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ复合材料在航天和空间领域的应用提供了理论基础和实验依据。

关键词：　激光选区熔化；ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ；力学性能；微观组织中图号：　ＴＧ１７４．４ 文献标志码：　Ａ文章编号：　１６７３ ９９６５（２０２０）０１ ００６４ ０６犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犕犻犮狉狅狊狋狉狌犮狋狌狉犲狊犪狀犱犘狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犛犻犆狆／犃犾犛犻１０犕犵犆狅犿狆狅狊犻狋犲狊犫狔犛犲犾犲犮狋犻狏犲犔犪狊犲狉犕犲犾狋犻狀犵犜犃犐犎犲犾犻，犑犐犃犖犣犲狀犵狔狌狀（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）ｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｌａｓｅｒｐｏｗｅｒａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｓｐｅｅｄ）ｏｎｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇ．ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０ＭｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｆｏｒｍｅｄｂｙｕｓｉｎｇＳＬＭｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｆｏｒｍｅｄＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ１０Ｍｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｗｉｔｈａｎｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ａｎｄｔｈｅｉｒｄｅｎｓｉｔｙｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｄｒａｉｎａｇｅｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｔｈｅｉｒｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｓａｒｅｍｏｒｅｅｖｅｎｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｎｄｃｌｏｓｅｌｙｂｏｎｄｅｄｔｏｔｈｅｍａｔｒｉｘ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｄｅｎｓｉｔｙｏｂｔａｉｎｅｄｒｅａｃｈｅｓ９６．５４％，ａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｈａｒｄｎｅｓｓｉｓｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｃａｓｔｉｎｇ．Ｌａｓｅｒｐｏｗｅｒ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｗｈｉｃｈ第４０卷第１期２０２０年２月 西　安　工　业　大　学　学　报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０２０ 收稿日期：２０１９ １０ １１基金资助：国家自然科学基金（５１６７１１５１）；陕西省科技新星项目（２０１６ＫＪＸＸ８７）。