Hành vi nóng chảy và kiểm soát mật độ của bột hợp kim nhôm trong quy trình SLM

Ưu điểm ứng dụng của vật liệu hợp kim nhôm trong quy trình SLM

Hợp kim nhôm là một loại vật liệu quan trọng trong lĩnh vực sản xuất bồi đắp kim loại. Đặc tính nhẹ và độ bền cao của nó làm cho nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và thiết bị công nghiệp. Quy trình SLM (Nung chảy Laser chọn lọc) có thể thực hiện việc sản xuất trực tiếp các bộ phận kết cấu hợp kim nhôm phức tạp, vượt qua các hạn chế về quy trình của phương pháp đúc và gia công truyền thống. Mật độ của hợp kim nhôm bằng khoảng một phần ba so với thép, nhưng cường độ riêng có thể so sánh với thép cacbon trung bình, khiến nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho thiết kế nhẹ. Trong quy trình SLM, các loại hợp kim nhôm thường được sử dụng bao gồm AlSi10Mg, Al6061, Al7075, v.v.

Yêu cầu đặc tính và kiểm soát chất lượng của bột hợp kim nhôm

Quy trình SLM có các yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng bột hợp kim nhôm. Sự phân bố kích thước hạt phải được kiểm soát trong phạm vi 20-63μm và giá trị D50 tối ưu ở mức 35-45μm. Độ cầu của bột phải lớn hơn 90% để đảm bảo tính lưu động tốt và độ đồng đều của bột. Hàm lượng oxy trong bột phải được kiểm soát dưới 0,1%. Hàm lượng oxy quá mức sẽ gây ra sự hình thành các tạp chất oxy hóa trong bể nóng chảy và làm giảm tính chất cơ học của các bộ phận. Số lần tái chế bột cũng cần được kiểm soát, khuyến cáo không quá 5 lần.

Cơ chế ảnh hưởng của các thông số laser đến trạng thái nóng chảy

Công suất laser, tốc độ quét và khoảng cách quét là những thông số cốt lõi ảnh hưởng đến chất lượng nóng chảy của hợp kim nhôm SLM. Công suất laser thường được đặt trong khoảng 200-400W. Nếu công suất quá cao, bể nóng chảy sẽ quá sâu và vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ mở rộng. Nếu nguồn điện quá thấp, lỗi không hợp nhất có thể xảy ra. Nên điều chỉnh tốc độ quét trong khoảng 600-1200mm/s. Nếu tốc độ quá nhanh, kênh tan chảy sẽ không liên tục. Khoảng cách quét thường là 80-120μm. Mật độ năng lượng thể tích là chỉ số để đánh giá toàn diện các thông số laser và phạm vi khuyến nghị là 30-60J/mm³.

Chiến lược kiểm soát mật độ và ngăn ngừa khuyết tật

Mục tiêu mật độ của các bộ phận SLM hợp kim nhôm là hơn 99%, là cơ sở để đảm bảo các tính chất cơ học đáp ứng các tiêu chuẩn. Mật độ không đủ thường do các thông số quy trình không phù hợp, chất lượng bột kém hoặc các vấn đề về môi trường in. Các loại khuyết tật phổ biến bao gồm độ xốp, thiếu nhiệt hạch, vết nứt và biến dạng nhiệt. Khiếm khuyết về độ xốp được chia thành hai loại: lỗ chân lông quá trình và lỗ chân lông vật liệu. Lỗ chân lông của quá trình có thể được giảm bớt bằng cách tối ưu hóa các thông số laser. Các khuyết tật không được sử dụng chủ yếu xảy ra giữa các lớp hoặc giữa các kênh tan chảy, có thể được cải thiện bằng cách tăng công suất laser và giảm tốc độ quét.

Xử lý hậu kỳ và tối ưu hóa hiệu suất của các bộ phận SLM hợp kim nhôm

Sau khi in, các bộ phận SLM hợp kim nhôm cần trải qua một loạt quy trình xử lý hậu kỳ để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cuối cùng. Đầu tiên là xử lý ép đẳng tĩnh nóng (HIP), giúp loại bỏ các lỗ chân lông bên trong và các vết nứt vi mô trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao, có thể cải thiện hiệu suất mỏi từ 30-50%. Bước thứ hai là xử lý nhiệt lão hóa dung dịch rắn và hệ thống xử lý nhiệt thích hợp được lựa chọn theo loại vật liệu. Về mặt xử lý bề mặt, phun bi có thể được sử dụng để cải thiện trạng thái ứng suất dư bề mặt.