Поведение при плавлении и контроль плотности порошка алюминиевого сплава в процессе SLM

Преимущества применения материалов из алюминиевых сплавов в процессе SLM

Алюминиевый сплав является важной категорией материалов в области аддитивного производства металлов. Его легкие и высокопрочные характеристики открывают широкие перспективы применения в аэрокосмической, автомобильной промышленности и промышленном оборудовании. Процесс SLM (селективного лазерного плавления) позволяет осуществлять прямое производство сложных конструкционных деталей из алюминиевых сплавов, преодолевая технологические ограничения традиционного литья и механической обработки. Плотность алюминиевого сплава составляет около трети плотности стали, но удельная прочность сравнима с плотностью среднеуглеродистой стали, что делает его предпочтительным материалом для легких конструкций. В процессе SLM обычно используемые марки алюминиевых сплавов включают AlSi10Mg, Al6061, Al7075 и т. д.

Требования к характеристикам и контроль качества порошка алюминиевого сплава

В процессе SLM предъявляются строгие требования к качеству порошка алюминиевого сплава. Распределение частиц по размерам следует контролировать в диапазоне 20-63 мкм, оптимальное значение D50 составляет 35-45 мкм. Сферичность порошка должна быть более 90%, чтобы обеспечить хорошую текучесть и равномерность распределения порошка. Содержание кислорода в порошке должно контролироваться ниже 0,1%. Избыточное содержание кислорода приведет к образованию окисленных включений в ванне расплава и снижению механических свойств деталей. Также необходимо контролировать количество переработок порошка, и не рекомендуется превышать 5 раз.

Механизм влияния параметров лазера на поведение плавления

Мощность лазера, скорость сканирования и расстояние между сканированиями являются основными параметрами, которые влияют на качество плавки SLM из алюминиевого сплава. Мощность лазера обычно устанавливают в диапазоне 200-400 Вт. Если мощность слишком высока, расплавленная ванна будет слишком глубокой, а зона термического воздействия расширится. Если мощность слишком низкая, могут возникнуть дефекты несваривания. Рекомендуется регулировать скорость сканирования в диапазоне 600-1200 мм/с. Если скорость слишком высокая, канал плавления будет прерывистым. Шаг сканирования обычно составляет 80-120 мкм. Объемная плотность энергии является показателем комплексной оценки параметров лазера, рекомендуемый диапазон составляет 30–60 Дж/мм³.

Стратегия контроля плотности и предотвращения дефектов

Целевая плотность деталей SLM из алюминиевого сплава составляет более 99%, что является основой для обеспечения соответствия механических свойств стандартам. Недостаточная плотность часто вызвана неправильными параметрами процесса, плохим качеством порошка или проблемами условий печати. Общие типы дефектов включают пористость, непровар, трещины и термическую деформацию. Дефекты пористости делятся на две категории: технологические поры и поры материала. Технологические поры можно уменьшить за счет оптимизации параметров лазера. Нерасплавленные дефекты чаще всего возникают между слоями или между каналами расплава, что можно устранить за счет увеличения мощности лазера и снижения скорости сканирования.

Постобработка и оптимизация производительности деталей SLM из алюминиевого сплава

После печати детали SLM из алюминиевого сплава должны пройти ряд процессов постобработки, чтобы соответствовать окончательным требованиям к производительности. Первый — это обработка горячим изостатическим прессованием (ГИП), которая устраняет внутренние поры и микротрещины в среде высокой температуры и высокого давления, что может улучшить усталостные характеристики на 30-50%. Вторым этапом является термообработка старением в твердом растворе, и соответствующая система термообработки выбирается в зависимости от марки материала. Что касается обработки поверхности, дробеструйную обработку можно использовать для улучшения состояния остаточного напряжения поверхности.