[发明专利]提高激光选区熔化增材制造镁/镁合金零件致密度的方法

说明书

本发明公开了一种提高激光选区熔化(SLM)增材制造镁/镁合金零件致密度的方法，所述方法包括如下步骤：(1)粉体与基板选择；(2)粉体预热；(3)三维切片；(4)采用双层错位扫描策略进行SLM增材制造；(5)取出零件。与现有技术相比，采用本发明的技术方案能够在不增加制造成本和制造风险的情况下，显著减少SLM增材制造过程中由于镁/镁合金粉体大量飞溅导致的孔洞类缺陷，显著提高SLM增材制造镁/镁合金零件的致密度。

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种提高激光选区熔化(SLM)增材制造镁/镁合金零件致密度的方法。

背景技术

作为最轻金属结构材料，镁合金因其质轻、比强度高在航空航天、汽车等领域有着广泛的应用和应用潜力。传统的航空航天镁合金零件多通过砂型精密铸造成型，研制周期长，性能和尺寸稳定性差。以高冷速、无模具、净成形为特点的金属增材制造技术一经提出即迅速扩展到世界各国，成为航空航天领域复杂精细结构零件制造的理想方式：零件结构可随时调整，研制周期可大幅缩短。因此，采用金属增材制造技术代替传统砂型铸造技术制备镁合金航空航天零件已经成为一种发展趋势，特别是在零件设计研发阶段。与其他金属增材制造技术相比，激光选区熔化(SLM)成型技术具有冷速快、尺寸精度高等优点，是最具发展前景的金属增材制造技术之一。

然而，由于镁及镁合金具有蒸汽压高、沸点低、密度低的物理特性，与其他金属材料不同，在SLM成型过程中，镁及镁合金会发生剧烈的粉体飞溅现象，粉体飞溅导致大量镁合金粉体飞离粉床，一方面减少了当前熔池合金的熔化量，另外一方面也减少了相邻扫描路径上的粉体数量，进一步导致后续熔池熔化量的波动，熔池熔化量的波动显著降低了SLM成形工艺的稳定性，导致SLM成型镁合金容易出现孔洞类、裂纹类缺陷，严重的降低了SLM成型镁合金零件的内部质量，限制了SLM成型技术在镁合金领域的应用。

为了降低SLM成型金属零件的孔隙率、提高致密度，除了调整常规成型参数外，如调整激光功率、扫描速率、扫描间距、层厚等参数，还可以通过调整扫描策略、增加成型舱压力、样品成型后热等静压(HIP)等方式进行。关于扫描策略对镁合金SLM成型零件致密度影响的研究很少。Nesma等人(Reducing porosity in AlSi₁₀Mg parts processed byselective laser melting,Additive Manufacturing 1–4(2014)77–86)在研究AlSi10Mg铝合金SLM成型工艺时曾公开了多种扫描策略，如X型(单向扫描且每一层只扫描一次)、2X型(单向扫描但每层扫描两次)、Alternating型(当前层的方向在上一层的基础上旋转90°，目前SLM成型的常规扫描策略)、XY 2HS型(相邻层间扫描方向互相垂直，每层扫描两次并采用不同的扫描间距)、Pre-sinter型(每层先以半功率进行预烧结扫描，再用正常功率扫描一次)、Overlap型(每层扫描两次且第二次扫描第一次扫描所形成的熔池轨迹搭接区域)，其中Pre-sinter扫描策略由于预烧结时激光功率低镁合金粉体飞溅较少，可望有效的减少SLM成型后镁合金的孔隙率，提高其致密度，然而，Pre-sinter扫描策略每层需要扫描2次，显著提高了SLM成型的制造周期，并不是理想的扫描策略。因此，如何通过扫描策略的改变，更高效的提高SLM成型镁合金的致密度是镁合金SLM成型技术的研究方向之一。此外，有研究表明，镁在0.1MPa下的沸点为1093℃，在0.3MPa下的沸点提升至1220℃，因此，增加成型舱内压力有望减少相同成型参数下镁合金粉体的飞溅，有助于减少镁合金中的孔隙率。然而，增加成型舱压力提高了设备的密封和安全性要求，显著增加了安全隐患，目前尚没有关于成型舱室压力对镁合金孔隙率影响的系统研究。在热等静压(HIP)影响方面，Sindhura等人(Microstructure and mechanical behavior of an additive manufactured(AM)WE43-Mg alloy,Additive Manufacturing 26(2019)53-64)研究了HIP处理对SLM成型WE43镁合金致密度情况的影响，结果表明，在镁合金中孔隙率较高的情况下，HIP能够显著提高合金的致密度：孔隙率可由12.4％降低至2.7％；而在孔隙率较低的情况下，HIP效果的改善效果并不显著：孔隙率可由1.7％降低至0.6％，然而当孔隙率为0.3％时，HIP不能进一步提高合金的致密度。除了工艺成本高昂外，HIP处理时，SLM成型镁合金的晶粒尺寸会显著长大，对合金的力学性能产生明显负面影响。因此，增加成型舱压力和后续热等静压(HIP)处理都不是理想的提高SLM成型镁合金零件致密度的方法：前者增加了安全隐患，后者增加了制造成本、降低了零件力学性能；与之相比，调整SLM扫描策略的办法简单易行，通过调整扫描策略改善SLM成型镁合金零件的致密度是提高SLM成型镁合金致密度较理想的解决方案。