超高速激光熔化扫描速度对Al-Mg-Sc高强铝合金的性能的影响

来源：航空材料学报
作者：文聘

自21世纪以来，随着高速列车，航空航天技术的快速发展，高强铝合金构件逐渐向大型化、一体化及复杂化方向不断发展。传统的铝合金制备方法存在加工周期长、成本高、易出现缺陷等问题。激光熔化沉积技术作为增材制造工艺的一种，具有制备周期短、成本低、成形质量高等优点，成为了高强铝合金构件制备的重要手段之一。传统激光熔化沉积技术利用激光束在基体表面形成熔池，粉末进入熔池后受热熔化。而在超高速激光熔化沉积过程中，粉末于熔池上方在激光加热下发生熔化，仅少量粉末在熔池中熔化。

现阶段，超高速激光熔化沉积主要用于钢、高温合金等零件的表面熔覆，鲜见用于Al-Mg-Sc高强铝合金的成形制备，其缺陷特征、显微组织及力学性能等均有待揭示。针对现有增材制造技术沉积效率低这一问题，本工作以超高速激光熔化沉积技术进行Al-Mg-Sc高强铝合金增材制造成形研究，探究沉积态组织与力学性能特征，分析扫描速率对组织、缺陷及力学性能的影响规律，采用ESCAAS数值模拟软件的热力强耦合拉格朗日无网格法对成形过程进行模拟，以真实粉末性能（尺寸大小、形状等）作为输入，对粉末颗粒和基体的温度、物相和形状演变的进行详细描述。

论文链接：https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000098

研究内容
图1（c）展示了激光熔化沉积的原理，将基体放在喷口下方，合金粉末原料在激光照射下熔化，形成熔池得到超强铝合金，再经过打磨、抛光、切取便可得到实验所用的标准试样品，如图2（a）所示。合金粉末原料的化学成分为Al-5Mg-0.5Sc-0.9Mn-0.35Zr-Si-0.6Ti-0.5Cu-0.25Cr（质量分数/%），其粉体粒径分布如图1（a）所示。

图1 原料粉末扫描电镜照片（a）粉体粒径分布；（b）超高速激光熔化沉积示意图；（c）激光熔化沉积原理图。

图2 拉伸试样（a）样品照片；（b）样品尺寸。

对制备的样品进行拉伸实验，采用视频引伸计记录位移，同步记录横梁载荷得到载荷-位移曲线，并绘制出如图3所示的应力-应变曲线。

图3 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金不同扫描速度成形样品应力-应变曲线。

图4为超高速激光熔化沉积增材制造Al-Mg-Sc合金样品的扫描电镜照片。由图4可看出，样品内部致密，无裂纹、夹杂或未熔合等缺陷存在，但存在少量尺寸在200 μm以下的气孔，且气孔数量随着扫描速率的增加明显减少。

图4 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金不同扫描速率成形样品的内部气孔(a)0.1 m/s；(b) 0.4 m/s；(c) 1 m/s。

图5~7为不同扫描速率下成形样品进行EBSD分析得到ODF图，再分别选取其中ϕ2=0°、45°、90°织构截面进行分析。可以看出扫描速率为0.1 m/s和0.4 m/s的样品有明显的峰值,表明材料表现出一定但不明显的各向异性，而扫描速率为1 m/s的样品中并没有明显的峰值，说明其未有明显的织构取向。

图5 扫描速率0.1 m/s成形样品的ODF图

图6 扫描速率0.4 m/s成形样品的ODF图

图7 扫描速率1 m/s成形样品的ODF图

图8为激光功率1500 W、扫描速率0.1 m/s时，激光照射中粒子和基体的变形构型和温度分布随时间地变化。基于热力强耦合拉格朗日无网格数值模拟方法，得到了粉末颗粒和基体的温度、物相和形状演变的详细描述。

图8 超高速激光熔化沉积仿真模拟激光扫描速率0.1 m/s时预测的粉末颗粒和基体的变形形态和温度分布。

不同时间点下热影响区加结合层的厚度变化如图9(a)、(b)所示，随着时间的增加，总厚度增加；不同扫描速率下凝固后的截面图如图9(c)、(d)所示，随着扫描速率的提高，沉积层表面的凹凸程度有明显的降低。

图9 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金仿真模拟不同扫描速率成形样品截面图（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。

图10展示出高强铝合金样品孔隙率随激光扫描速率的提高在不断降低，其原因正如图9（c）、（d）所示，较高的扫描速率减弱了粉末材料的堆积，进而降低图层孔隙率。

图10 超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc合金样品孔隙度随激光扫描速率变化

结论
(1)超高速激光熔化沉积铝合金显微组织致密，组织呈现均匀的等轴细晶，样品力学性能随扫描速率变化，当扫描速率较高时由于孔隙率较低的原因导致力学性能更好，此时最大抗拉强度为303 MPa，断裂伸长率为22.5%。
(2)采用热力强耦合拉格朗日无网格方法预测增材制造粉末熔化相变过程及熔池热动力学行为，合金粉末在空中汇聚、碰撞、软化、熔化形成空中熔池后，在基体上融合凝固形成沉积层，随扫描速度增加，形状趋向于扁长，其中流场分布方向为沿热源中心径向向外。
(3)数值模拟研究激光扫描速率对力学性能的影响，表明较快的激光扫描速率能减少粉末材料的堆积，降低涂层孔隙率，可以提高力学性能，结果与实验结果相吻合。