DMLS 激光 3D 打印的时候,周围有高压 N2 在保护着。激光的能量特别高,能把金属粉末给熔化掉,这时候保护气体就会进到熔池里。等激光束快速扫描移走后,气体就被包在熔池里了,有些残留气体来不及从熔池跑出去,就变成了圆形气孔。所以呀,打印工艺参数设置得好不好特别关键。
激光功率太低了(就像用工艺参数 A 打印的时候)或者扫描速度太快了(像工艺参数 C 打印那样),熔池上面那层金属粉末颗粒只是稍微熔化流动了一下,下面基本没熔化,这样粉层之间的颗粒熔化不完全,熔化的金属液体也没法好好填充,一些金属颗粒之间的缝隙就还留着,就会形成大的孔洞缺陷。反过来,要是激光功率太高(用工艺参数 C 打印)或者扫描速度太慢(用工艺参数 A 打印),熔池粉末层上面的金属颗粒熔化得越来越多,可 3D 打印的时候,金属熔体冷却凝固的速度比它流动的速度快,金属熔体还没来得及流到缝隙里就全凝固了,导致粉层下面的颗粒熔化不完全,层和层之间结合不紧密,就在上层熔化的烧结线和下层没熔化完的颗粒之间产生那种不规则还封闭的孔隙。所以说激光功率和激光扫描速度的选择可太重要了,只有合适又最佳的 3D 打印工艺参数才能做出致密性好、缺陷少的铝合金点阵结构材料。
激光 3D 打印过程中,因为旁边激光作用区会有影响,再加上是螺旋式的激光扫描方式,就形成了一层一层交错堆垛的熔池,各个熔池相互搭接就有了不同方向的热影响区。AlSi10Mg 合金里 Si 含量比较多,在热影响区析出的共晶 Si 也多,所以能很明显看到激光打印扫描轨迹,这个区域的组织也比较粗大。要是不算那些没完全熔化的金属颗粒的影响,DMLS 激光 3D 打印 AlSi10Mg 点阵结构材料整体的微观形貌主要有三部分,就是气孔(被保护气体包裹形成的)、相邻激光交互作用产生的热影响区,还有细小的基体组织。
激光 3D 打印的时候,高能量激光能把 Al - Si 合金颗粒快速完全熔化,达到液相平衡,Si 元素在熔化的 Al 液里能自由移动,成分也均匀。而且因为激光冷却作用,冷却速度特别快(大概 103K/S),在快速冷却凝固过程中,过冷度大,形核率高,晶粒长大就被抑制了,先形成了晶粒细小的α - Al 胞状组织,Si 成分被挤到一边,只在小范围快速扩展,在胞状晶间形核析出,变成了纳米级球状 Si 颗粒相。
这三种打印工艺参数,区别就在激光功率和激光扫描速度不一样。用它们打印出来的金字塔型 AlSi10Mg 点阵结构材料都能成型,实际测量的尺寸和三维软件设计的原来尺寸很接近,符合原来设计要求。不过在缺陷方面,用参数 A(激光能量 350W,扫描速度 1200mm/s)和参数 C(激光能量 380W,扫描速度 1400mm/s)打印出来的点阵结构材料里都有比较大的气孔,还有好多没完全熔化的合金颗粒造成的缺陷,而用参数 B(激光能量 370W,扫描速度 1300mm/s)做出来的点阵结构材料内部孔洞缺陷很少,只有少量小圆孔状缺陷。最佳的激光 3D 打印工艺参数是:环境温度 80℃、金属粉层厚度 30μm、激光束直径 80μm、激光能量 370W、激光扫描速度 1300mm/s。这三种打印工艺参数条件下的 AlSi10Mg 点阵结构材料样件的微观组织形貌很相似,都是由保护气体包裹产生的气孔、相邻激光相互作用产生的热影响区以及细小的基体组织组成。观察显微组织都是呈胞状的α - Al + Si 相,α - Al 也是细小均匀胞状的样子,α - Al 的晶粒和晶界上分布着的 Si 相是由均匀细小的纳米级 Si 颗粒组成的这种显微组织特征。Al - Si 系合金在传统铸造的时候,冷却速度慢,构件里外温差大,通常是针状(或板片状)的粗大初生 Si 显微组织,合金元素还会偏析,力学性能特别是抗压或抗拉强度就降低了。
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