铝铜合金粉末激光熔化成形的基础研究

2020-08-05张洪磊

世界有色金属 2020年10期

张洪磊

（苏州耀国电子有限公司，江苏苏州 215024）

在现代化生产和制造过程中，材料的性能与生产成本是需要相关企业重点关注的问题，尤其在航空航天领域中对于构成零件的材料性能和加工工艺要求和标准也更为严格，所以想要在生产过程中有效控制成本就必须要进一步提高工艺水平。3D打印快速成形的工艺是当前针对传统铝合金生产工艺缺陷问题较为严重的一种有效优化手段，一方面3D打印快速成形技术应用的材料环保效益更高，同时新工艺对于材料利用率的大幅度提高还能够更好的保障相关零件生产企业的经济效益；另一方面快速成形技术在生产过程中还能够更加灵活的调整工艺参数要求，有效避免和解决了高性能材料的生产缺陷问题。

1 国内外研究现状

铝铜合金粉末配合3D打印快速成形技术，能够更加快速、高效的制造和生产出各方面性能要求更高的合金材料，因此在现代化机械生产和零件加工领域中能够具有非常好的应用效果。快速成形技术的创新思路源自于工业生产过程中材料性能要求和生产成本之间的矛盾问题，传统铸造方法较低的材料利用率导致了大量生产材料的浪费和资源的流失，而世界上第一台3D打印机便是针对这类问题在20世纪80年代横空出世，随着计算机技术的大量普及而获得了广阔的发展前景。

在国外发达国家中美国和德国是较早应用了这种金属粉末快速成形铸造方法的国家，针对加工难度较大、力学性能要求较高的铝铜合金，尝试通过调整金属粉末的掺入量和占据比例来尽可能使合金材料的综合性能达到更高的水平。其中Wong科研团队提出了利用离子喷涂和覆膜成形的方法，对铝合金的表面进行精加工来提高其表面力学综合性能，这种工艺方法将铝合金表面硬度显著的提高了10～20倍。另外还有Kadolkar科研团队采用的用90%的TiC和10%的Si混合后作为激光快速成形加工材料的工艺等，都能够有效提高铝铜合金的表面硬度和耐腐蚀、耐高温等方面的性能。而国内近几年来也在不断地寻求合金粉末成形方法来改善合金生产材料利用率低下、成本较高的不良现状，例如华中科技大学教授带领的科研团队通过SLM技术（选择性激光成形）对合金材料制成的零件表面致密度和硬度进行了有效的改善，从而使铝铜合金材料能够更好的适用于高性能要求的航空航天设备和零件制造过程中。

2 激光熔化快速成形技术的工艺优点

铝合金材料是一种以纯铝材料为基础，通过加入其它金属元素强化纯铝的表面性能和力学性能，是形成的合金材料的可塑性、抗拉强度和耐腐蚀性等，达到零件和设备生产与制造的要求标准。现阶段针对纯铝材料的合金加工强化方法，通常采用加入纯铜粉末来提高其耐磨性和强度，但是该工艺的合金生产质量和缺陷问题较为严重，同时加工生产耗时较长、效率低下。而与之相比，新式的激光快速成形技术则在成形速度、合金零件生产质量方面效果更好，其工艺优点主要集中在以下几个方面。

2.1 生产效率高、零件成形快

传统的铝铜合金铸造方法需要将金属液体灌注到固定的模具中，再通过冷却硬化来形成想要的合金零件，但是模板的更换和拆卸会极大地拖慢了铸造成形加工的效率，同时模板本身的加工精度还会影响到合金零件的质量。而激光熔化成形技术则利用在基板上进行3D打印的方式取代了传统模板的应用，节省了模板制造、安装和拆卸等多个步骤，显著提高了合金零件生产的效率。此外金属粉末直接通过立体堆叠打印形成的零件在造型完成后，并不需要较长的冷却时间，因此与传统铸造方法相比明显缩短了从制造加工到生产完成之间的时间，进一步加快了铝铜合金零件成形的速度。

2.2 有效避免了铸造缺陷问题

铸造缺陷问题在传统的铝铜合金生产的过程中发生较为普遍，其产生原因一方面在于铸造模板本身在结构转角或其他细节部位存在着生产缺陷，部分型腔壁厚不均匀和长期使用导致的内表面破损与腐蚀等问题会进一步影响到铸造成形后的合金零件质量；另一方面在于金属液体向模具中倾倒的过程中，由于金属液温度会不断地散失从而导致模具浇筑口部位产生缩松等问题，影响合金零件表面强度与结构完整性。而激光熔化成形技术则可以直接根据合金零件各部分的尺寸与参数要求，利用定点喷涂合金粉末的方法来提高对结构精度的控制效果，不仅仅能够显著提高合金零件各部分结构参数的生产精确度，同时还从根本上避免了铸模成形过程中常见的一些零件表面形成缩松、气孔等问题，使铝铜合金形成了良好的粘接效果，保障了合金零件结构的完整和力学性能的稳定。

2.3 合金零件生产制造成本较低

激光熔化成形技术所需要的主要生产条件便是合金粉末、3D打印成形设备和零件的三维实体模型，因此与传统工艺相比省略了模型、规模较大的铸造车间、加热炉等设备和成本。生产技术人员通过将合金零件的三维模型导入到打印设备中，再根据生产要求配置好相应的合金粉末和调整设备生产参数即可，因此降低了很大一部分生产成本，使铝铜合金零件生产企业能够获得更高的经济效益。同时快速成形的生产模式还进一步缩短了零件制造的周期，因此人工劳务费用、生产车间维护费用等也大大减少，一次成形的高效生产也节省了返工和重铸的成本内容。

2.4 具有良好的环保效益

激光熔化成形技术生产过程中企业不需要进行大规模的金属熔化和加热等工序，有效降低了合金零件生产与制造消耗的各类资源。同时，合金粉末高精度的喷涂和粘合与传统铸造成形方法相比极大提高了材料的利用率，避免了对铝铜合金的浪费并排放出了更少的污染物，从而使合金零件生产制造各环节工作都达到了更高的节能环保效益水平。

3 铝铜合金选择性激光熔化成形工艺研究

在应用激光熔化成形技术时需要重点关注的一个环节，便是对3D打印快速成形生产设备的扫描方式进行科学的选择，根据合金零件生产要求所选择的扫描方式是否科学，会直接影响到最终成形后零件的质量和性能。其中激光功率便是影响快速成形设备单道扫描线宽的一个重要因素，在设置激光功率时应严格按照合金零件生产要求中对表面粗糙度的要求调整设备参数，避免激光功率过大导致纯铝粉末出现过烧现象而降低了合金件表面性能。表1所示不同激光功率对单道扫描线宽和线高的影响。

表1 不同激光功率对扫描线宽和线高的影响

其次，在合金零件打印成形的过程中设备扫描的速度、合金粉末铺设的厚度等因素，对于合金零件最终成形后的性能与质量影响也非常关键，因此要在生产过程中严格控制好打印成形设备的各项参数，下文表2和表3提供了扫描速度与粉末铺设厚度的具体影响以供读者参考。

表2 不同扫描速度对线宽和线高的影响

表3 铺粉厚度对线宽和线高的影响

4 铝铜合金激光熔化成形综合性能分析

针对激光熔化成形后铝铜合金零件的各方面性能变化问题，通常企业主要从致密度、硬度和抗拉强度三方面展开研究，并结合不同设置参数下所生产制造出来的合金零件，深入探究其变化规律来寻求有效控制铝铜合金性能的方法。例如选择混合比例为20%的铝铜合金，经实验测得致密度最高值出现在激光功率75%、扫描速度850mm/s、扫描间距0.07mm时。同理可找出不同混合比例下的最佳致密度参数配置。铝铜合金的硬度变化主要受固溶处理时间的影响，经试验测得铝铜合金试件的硬度随固溶处理时间变化。从曲线表化趋势可以看出在热处理保温时间为6h后，铝铜合金标准件的硬度达到峰值。而铝铜合金抗拉强度的变化则主要受时效时间的影响，抗拉强度峰值为450MPa。