摘要
采用选区激光熔化（SLM）对AlMgScZr合金进行了打印成形，分析了不同激光功率对打印试样致密度、表面形貌、微观组织及力学性能的影响规律。结果表明，激光功率在80~240 W内，AlMgScZr合金的致密度先升后降，当激光功率为200 W时致密度达到最大值，为99.6%；AlMgScZr合金的抗拉强度与致密度密切相关，在近似全致密的状态下，合金的力学性能达到最优，抗拉强度和延伸率分别为492 MPa和18.4%；由于Sc、Zr元素的加入，合金内部形成与基体共格的Al3（Sc， Zr）相，可作为有效的形核质点促进晶粒细化，其强化机制主要为细晶强化和析出强化。
关键词
随着航空工业的发展，航空航天构件不仅对轻量化要求进一步提高，而且还要求目标零件具备复杂结构和出色的承载性能，这对传统加工技术提出了更高的挑
在传统高强铝合金的SLM打印过程中，虽然常规铸造型Al-Si合金，如AlSi10Mg、AlSi12和A357等，均可获得良好的成形质量，但由于合金成分限制，Al-Si构件的抗拉强度一般在400 MPa以下，距离航空航天构件的强度需求还存在一定差
已有研究表明，航空用铝合金构件的屈服强度对其服役过程具有显著影响，空客公司针对SLM工艺推出了一种专用的AlMgScZr合金粉末，其屈服强度是AlSi10Mg材料的2.25
本文以AlMgScZr合金为研究对象，采用SLM工艺对其进行打印成形，对不同激光功率条件下合金试样的致密度、气孔缺陷、微观组织以及力学性能进行研究。获得了激光工艺参数对打印合金致密度及力学性能的影响规律，并分析了AlMgScZr合金的强韧机理，为推动航空航天结构件的轻量化发展和高性能铝合金SLM制造奠定了基础。
SLM试验材料为AlMgScZr合金，采用气雾化法制备。粉末制备过程如下：首先，采用中频感应熔炼获得金属液；随后，将精炼的金属液导入中间包，在高压Ar气下开始雾化，气流流速控制在300~320 m/s；最后，待粉末完全冷却后，在N2保护气氛下进行筛分，获得合适粒径的AlMgScZr合金粉体。
采用EOS M290型铺粉式金属SLM打印机，在5种不同激光功率下对AlMgScZr合金进行打印成形，打印工艺参数如
激光功率 /W | 扫描速度 /mm· | 粉层厚度 /μm | 扫描旋转角度 /(°) | 扫描间距 /μm |
|---|---|---|---|---|
| 80,120,160,200,240 | 500 | 30 | 67 | 100 |
对打印态合金的侧面进行砂纸打磨和机械抛光处理，待试样表面光亮无划痕后采用三酸混合试剂（HF∶HCl∶HNO3=2∶3∶95）对其进行化学腐蚀，随后采用ZEISS Sigma 500型扫描电子显微镜及其配备的能谱仪对粉末形貌和化学成分进行观测，观测过程分别根据ISO 16700和ISO 13065标准进行。打印试样的致密度采用恒美HM-Y02型密度计测量，分别称取试样在空气中和水中的质量，再根据阿基米德排水法原理计算得到试样的致密度。采用DX-6500PC型X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）及JEM-2100 JEOL型透射电子显微镜（transmission electron microscopy， TEM）对合金物相进行分析。采用Talos F200x型电子万能实验机对AlMgScZr合金拉伸强度进行测试，每组实验采用5个样本取平均值，拉伸试验在室温［（22±0.5） ℃］下进行，拉伸速率恒定为0.01
试验观测结果如
（a） 形貌表征
（b） 能谱分析
图1 AlMgScZr合金粉末
Fig.1 AlMgScZr alloy powde
如
图2 不同激光能量密度下AlMgScZr合金致密度变化
Fig.2 Variation of packed density of AlMgScZr alloy at different laser energy densities
从
（a） 80 W
（b） 120 W
（c） 160 W
（d） 200 W
（e） 240 W
图3 SLM成形AlMgScZr合金上表面形貌
Fig.3 T op surface morphologies of AlMgScZr alloy printed by SLM
沿AlMgScZr合金中部切取试样，其气孔缺陷形貌及分布状态如
（a） 80 W
（b） 120 W
（c） 160 W
（d） 200 W
（e） 240 W
图4 AlMgScZr合金内部气孔缺陷
Fig.4 Porosity defects of AlMgScZr alloy
（a） 80 W
（b） 120 W
（c） 160 W
（d） 200 W
（e） 240 W
图5 AlMgScZr合金微观组织
Fig.5 Microstructure of AlMgScZr alloy
AlMgScZr合金粉末及打印试样XRD分析如
图6 AlMgScZr粉末和打印态合金的XRD图谱
Fig.6 XRD patterns of AlMgScZr powder and SLMed alloy
①—240 W/500 mm/s ②—200 W/500 mm/s ③—160 W/500 mm/s④—120 W/500mm/s ⑤—80 W/500mm/s ⑥powder
（a） 拉伸曲线
（b） 抗拉强度和延伸率
图7 AlMgScZr合金拉伸力学性能
Fig.7 Tensile properties of SLM-printed AlMgScZr alloy
（a） 80 W
（b） 120 W
（c） 160 W
（d） 200 W
（e） 240 W
图8 AlMgScZr合金拉伸断口形貌
Fig.8 Tensile fracture morphologies of SLM-printed AlMgScZr alloys
基于上述分析，对200 W/500 mm/s工艺参数下得到的AlMgScZr合金进行TEM分析，如
（a） 明场像
（b） 明场像
（c） 物相鉴定
（d） 物相鉴定
图9 AlMgScZr合金透射电镜分析
Fig.9 TEM analysis of AlMgScZr alloy phase identification
采用TEM高角环形案场模式对AlMgScZr合金内部元素分布进行观测，如
（a） Al
（b） Mg
（c） Sc
（d） Zr
图10 AlMgScZr合金内部元素分布
Fig.10 Element distribution of AlMgScZr alloy
本文对不同SLM工艺下AlMgScZr合金的致密度、气孔缺陷、微观组织、力学性能及强韧机理进行分析，获得结论如下：
（1） SLM打印参数对AlMgScZr合金的致密度存在显著影响。随着激光功率增加，合金的致密度先升高后下降，在激光功率为200 W时，致密度达到最大，为99.6 %。
（2） SLM成形后AlMgScZr合金内部主要为α-Al和Al3（Sc， Zr）相，其中Al3（Sc， Zr）相具有良好的晶粒细化效果。试件内部为细晶和粗晶交替分布的微观组织，熔池边界温度较低，凝固速度较快，倾向于形成细晶组织；而熔池中心区域温度高于熔池边界，凝固次序也在最后，倾向于形成粗晶组织。
（3） SLM制备的合金拉伸力学性能与其致密度密切相关，即打印合金的致密度越高，拉伸性能越好，在激光功率为200 W时，抗拉强度和延伸率均达到最优，分别为492 MPa和18.4 %。
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