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大唐盛世【技术干货】探索SLM金属3D打印AlSi10Mg合金中的微观世界

Time: 2022-10-31 17:32:38

Author: Metal3dprinting - DTSS-3D printing one-stop servic

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AlSi10Mg因其具有良好的工艺性是目前应用较广泛的铝合金之一。铝合金密度低、抗腐蚀性好的优点也在AlSi10Mg身上体现得淋漓尽致。然而在熔融成型的过程中,铝对于氧气很敏感,由此而造成的孔隙度的问题一直是一个需要重视的问题。孔隙度低的铝合金会具有较高的强度和较低的吸水性,在应用中可靠性比较高。本文将带领大家到微观世界中看一看利用SLM技术打印的铝合金的微观结构。

 

在进入微观世界之前,需要先介绍几个概念,块状金属中的孔隙通常根据形状和大小分为两种。一种是较小(小于100微米)呈圆形的冶金孔隙,也被称作氢气孔;另一种是较大(大于100微米)且呈不规则形状的锁眼孔隙。合金是混合物,因此在合金里我们可以观察到主要金属的晶粒结构,在微观照片上看起来是一颗一颗的样子。而由于晶粒的大小和形状的差异,我们可以看到一些比较明显的被称为晶界的分界线。

上面的三幅微观照片展现出了利用SLM技术在激光烧结熔池附近烧结后的合金微观结构。图a展现的是熔池中央细小均匀的晶粒,熔池的晶界以及晶界外较为粗放的晶粒结构。可以看出熔池内部的晶粒呈现的是接近圆形的晶粒结构,而晶界外的晶粒则显得被拉长且放大了。这是因为图中晶界外的合金处于两个熔池的交界处,因此相对于熔池只经过一次激光烧结加热,晶界外的合金相当于被两道不同激光的余温加热了两次,阻碍了凝固过程的进行,因此晶粒结构会比熔池内部更为粗放。图b展现的是由于锁眼孔隙内部余留空气与合金的导热系数不同造成的树枝状晶体的微观结构。图c则可以看到由于锁眼孔隙而造成的未完全烧结的微观结构,从图中可以看到未参与烧结的金属粉末颗粒。


将晶粒的照片稍微放大一些让我们看清楚它们的分布。上图中左图显示的是凝固过程由热梯度主导,导致晶粒取向指向熔池中心(热源)的现象。右图则可以看出从熔池中心(较上方)到两个熔池交界处(较下方)有一个明显的从细小均匀的晶粒→稍粗放但仍比较均匀的晶粒→被热力影响的粗放非均匀晶粒的过渡。

 

如果想看清楚这些在锁眼孔隙附近未完全烧结的粉末,下面这两幅扫描电子显微镜的照片大概可以满足你的好奇心。未完全烧结的粉末会降低成型密度,是需要尽量避免的。

经过多次的实验观察,在AlSi10Mg中的孔隙度可以通过提高材料粉末球形度、调整熔池宽度以及调整激光扫略速度及扫略方式来改善。

 

不规则的粉末如下图(a),不规则的形状以及粗大的颗粒有可能会导致空气被困在粉末内部(如图(b)),从而导致前文所说的树枝状晶体以及未完全烧结的情况。因此如今比较知名的SLM机器生产厂商SLM Solutions对金属粉末的球形度是有要求的,从而提高打印零件的机械性能等。

熔池宽度同时影响成型密度和孔隙度,熔池太宽,则成型密度和孔隙度都不会太好。目前对于不同的金属机,各厂商都通过实验找到了较适宜的熔池宽度范围作为常用参数作为参考。

 

激光扫略速度低时,混入熔池的气体或粉末内部被困的气体会产生较小的冶金孔隙;而当扫略速度提高时,又可能由于融融金属无法及时填补空隙而产生较大的锁眼孔隙。这在目前还是一个两难的问题,需要更多地探索和研究。但是经过多次的实验,通过组合不同的激光扫略速度和扫略方式,SLM Solutions的机器已经可以完成高达99.9%的成型密度。


参考文献:Reducingporosity in ALSi10Mg parts processed by selective laser melting, Nesma T.Aboulkhair丨Additive Manufacturing

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