超高速激光熔化掃描速度對Al-Mg-Sc高強鋁合金的性能的影響

來源：航空材料學報
作者：文聘

自21世紀以來，隨著高速列車，航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，高強鋁合金構(gòu)件逐漸向大型化、一體化及復雜化方向不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的鋁合金制備方法存在加工周期長、成本高、易出現(xiàn)缺陷等問題。激光熔化沉積技術(shù)作為增材制造工藝的一種，具有制備周期短、成本低、成形質(zhì)量高等優(yōu)點，成為了高強鋁合金構(gòu)件制備的重要手段之一。傳統(tǒng)激光熔化沉積技術(shù)利用激光束在基體表面形成熔池，粉末進入熔池后受熱熔化。而在超高速激光熔化沉積過程中，粉末于熔池上方在激光加熱下發(fā)生熔化，僅少量粉末在熔池中熔化。

現(xiàn)階段，超高速激光熔化沉積主要用于鋼、高溫合金等零件的表面熔覆，鮮見用于Al-Mg-Sc高強鋁合金的成形制備，其缺陷特征、顯微組織及力學性能等均有待揭示。針對現(xiàn)有增材制造技術(shù)沉積效率低這一問題，本工作以超高速激光熔化沉積技術(shù)進行Al-Mg-Sc高強鋁合金增材制造成形研究，探究沉積態(tài)組織與力學性能特征，分析掃描速率對組織、缺陷及力學性能的影響規(guī)律，采用ESCAAS數(shù)值模擬軟件的熱力強耦合拉格朗日無網(wǎng)格法對成形過程進行模擬，以真實粉末性能（尺寸大小、形狀等）作為輸入，對粉末顆粒和基體的溫度、物相和形狀演變的進行詳細描述。

論文鏈接：https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000098

研究內(nèi)容
圖1（c）展示了激光熔化沉積的原理，將基體放在噴口下方，合金粉末原料在激光照射下熔化，形成熔池得到超強鋁合金，再經(jīng)過打磨、拋光、切取便可得到實驗所用的標準試樣品，如圖2（a）所示。合金粉末原料的化學成分為Al-5Mg-0.5Sc-0.9Mn-0.35Zr-Si-0.6Ti-0.5Cu-0.25Cr（質(zhì)量分數(shù)/%），其粉體粒徑分布如圖1（a）所示。

圖1 原料粉末掃描電鏡照片（a）粉體粒徑分布；（b）超高速激光熔化沉積示意圖；（c）激光熔化沉積原理圖。

圖2 拉伸試樣（a）樣品照片；（b）樣品尺寸。

對制備的樣品進行拉伸實驗，采用視頻引伸計記錄位移，同步記錄橫梁載荷得到載荷-位移曲線，并繪制出如圖3所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 超高速激光熔化沉積Al-Mg-Sc合金不同掃描速度成形樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4為超高速激光熔化沉積增材制造Al-Mg-Sc合金樣品的掃描電鏡照片。由圖4可看出，樣品內(nèi)部致密，無裂紋、夾雜或未熔合等缺陷存在，但存在少量尺寸在200 μm以下的氣孔，且氣孔數(shù)量隨著掃描速率的增加明顯減少。

圖4 超高速激光熔化沉積Al-Mg-Sc合金不同掃描速率成形樣品的內(nèi)部氣孔(a)0.1 m/s；(b) 0.4 m/s；(c) 1 m/s。

圖5~7為不同掃描速率下成形樣品進行EBSD分析得到ODF圖，再分別選取其中ϕ2=0°、45°、90°織構(gòu)截面進行分析�？梢钥闯鰭呙杷俾蕿�0.1 m/s和0.4 m/s的樣品有明顯的峰值,表明材料表現(xiàn)出一定但不明顯的各向異性，而掃描速率為1 m/s的樣品中并沒有明顯的峰值，說明其未有明顯的織構(gòu)取向。

圖5 掃描速率0.1 m/s成形樣品的ODF圖

圖6 掃描速率0.4 m/s成形樣品的ODF圖

圖7 掃描速率1 m/s成形樣品的ODF圖

圖8為激光功率1500 W、掃描速率0.1 m/s時，激光照射中粒子和基體的變形構(gòu)型和溫度分布隨時間地變化�；�于熱力強耦合拉格朗日無網(wǎng)格數(shù)值模擬方法，得到了粉末顆粒和基體的溫度、物相和形狀演變的詳細描述。

圖8 超高速激光熔化沉積仿真模擬激光掃描速率0.1 m/s時預測的粉末顆粒和基體的變形形態(tài)和溫度分布。

不同時間點下熱影響區(qū)加結(jié)合層的厚度變化如圖9(a)、(b)所示，隨著時間的增加，總厚度增加；不同掃描速率下凝固后的截面圖如圖9(c)、(d)所示，隨著掃描速率的提高，沉積層表面的凹凸程度有明顯的降低。

圖9 超高速激光熔化沉積Al-Mg-Sc合金仿真模擬不同掃描速率成形樣品截面圖（a）0.4 m/s，0.5 ms；（b）0.4 m/s，2 ms；（c）0.4 m/s凝固后；（d）1 m/s凝固后。

圖10展示出高強鋁合金樣品孔隙率隨激光掃描速率的提高在不斷降低，其原因正如圖9（c）、（d）所示，較高的掃描速率減弱了粉末材料的堆積，進而降低圖層孔隙率。

圖10 超高速激光熔化沉積Al-Mg-Sc合金樣品孔隙度隨激光掃描速率變化

結(jié)論
(1)超高速激光熔化沉積鋁合金顯微組織致密，組織呈現(xiàn)均勻的等軸細晶，樣品力學性能隨掃描速率變化，當掃描速率較高時由于孔隙率較低的原因?qū)е铝�學性能更好，此時最大抗拉強度為303 MPa，斷裂伸長率為22.5%。
(2)采用熱力強耦合拉格朗日無網(wǎng)格方法預測增材制造粉末熔化相變過程及熔池熱動力學行為，合金粉末在空中匯聚、碰撞、軟化、熔化形成空中熔池后，在基體上融合凝固形成沉積層，隨掃描速度增加，形狀趨向于扁長，其中流場分布方向為沿熱源中心徑向向外。
(3)數(shù)值模擬研究激光掃描速率對力學性能的影響，表明較快的激光掃描速率能減少粉末材料的堆積，降低涂層孔隙率，可以提高力學性能，結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。