AZ91D镁合金激光熔化成型工艺参数优化

岳彦芳 马方正 李建辉 王帅鹏

摘要：为了对AZ91D镁合金粉末激光熔化成型工艺参数进行优化分析，运用正交试验和极差分析方法对激光功率、扫描速度、扫描间距3个关键工艺参数对制件力学性能的影响规律进行成型工艺研究，对优化参数后的试件进行固溶处理，并结合X射线衍射与金相测试进行微观组织分析。结果表明：AZ91D镁合金的选区激光熔化成型优选工艺参数为激光功率180 W，扫描速度500 mm/s，扫描间距60 μm；使用该优化工艺参数打印的试件性能为致密度99.8%，屈服强度200 MPa，抗拉强度285 MPa，延伸率3.2%，维氏硬度135 Hv；试件的优化热处理方案为420 ℃×12 h固溶处理，该工艺可大幅提升试样的延伸率，使其增长至5.9%。该工艺对航空航天等产品轻量化要求较高的领域具有重要的意义。

关键词：特种加工工艺；选区激光熔化成型；AZ91D镁合金；致密度；力学性能；热处理

中图分类号：TP311文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04009

选区激光熔化成型（selective laser melting，SLM）技术是近年出现的一种直接制造金属零件的增材制造技术。它是基于分层叠加的原理，利用高能量激光束将金属粉末熔化，层层叠加成型[1]。因其冷却與凝固过程迅速，可得到非平衡态过饱和固溶体均匀细小的金相组织，可制备出几乎任意形状且致密度高、成型精度高和机械性能良好的成型件[2-5]。该技术综合运用了激光、计算机辅助设计等前沿科技，是一项具有良好发展前景的增材制造技术。

第4期岳彦芳，等：AZ91D镁合金激光熔化成型工艺参数优化河北工业科技第35卷镁合金是所有金属结构材料中最轻的，其密度只有1.74 g/cm3，是铝的67%，钢的23%，具有很高的比强度、比刚度、优良的抗振性、抗冲击性和切削加工性能[6-7]。目前，镁合金已成为交通、电子通信、国防军工等工业领域的重要材料，成为世界各国关注的焦点[8]。然而镁合金的密排六方晶体结构，使其塑性成型能力差，不及面心立方结构的铝，很难加工复杂的结构件[9-10]。选区激光熔化技术可以加工传统工艺难以实现的形状结构，同时该技术可以制备高致密度成型件，从一定程度上解决了传统铸造工艺技术造成的铸造缺陷，这便为镁合金制造工艺的发展提供了一条新的路径。

本文为了获得高致密度高力学性能的镁合金选区激光熔化成型件，对SLM的激光功率、扫描速度、扫描间距等影响致密度的关键因素进行分析，并结合试验与计算获得优化工艺参数。以优选参数制备力学性能试件，检测其屈服强度、抗拉强度、延伸率以及维氏硬度，并对试件进行热处理工艺研究，总结出一种适用于镁合金SLM成型件的热处理工艺。

1试验设备、材料和方案

1.1试验设备

试验使用的设备为雷尼绍AM250 SLM激光熔融金属快速成型机，如图1所示。该设备可以按行、列2种不同参数一次按矩阵形式成型6行5列共30个试件，并可以填充惰性气体，保证氧含量（体积分数）低于500×10-6。

1.2试验材料

试验材料选取唐山市威豪镁粉有限公司提供的AZ91D雾化球形镁合金粉，其粒径分布范围为28～53 μm，平均粒度为44.5 μm。

1.3试验方案

1.3.1试件致密度工艺参数优化

为了优化工艺参数，本文采用两步法：即首先在较大范围内对SLM工艺参数进行初步试验，然后根据初步试验结果，在有效范围内进行参数细分再试验，从而保证即得到较优的工艺参数又尽量减少试验工作量。

参考国内外研究报道[11]，首先将扫描间距设为固定值。然后将激光功率设为横坐标，以一定的功率差值为横坐标跨度；将扫描速度设为纵坐标，以一定的扫描速度差值为纵坐标跨度，最终建立试验矩阵。利用单因素法分别描述激光功率、扫描速度与致密度之间的关系，从而得到相关的变化规律。根据试验结果，对高致密度镁合金的有效参数范围进行确定。

为进一步得到AZ91D镁合金致密度的最佳参数，需要对确定的高致密度镁合金的有效工艺参数范围进行优化分析。为减少试验次数，提高试验效率，设计三因素三水平正交试验，选取激光功率、扫描速度、扫描间距为正交试验的3个因素，将每个因素均取3个水平。

在完成正交试验数据整理之后，需要对试验的最优参数进行确定。最优参数的结果即代表了AZ91D镁合金致密度的优化工艺参数，为得到该结果需要对正交试验进行极差分析。

致密度检测方法为“阿基米德排水法”，所用设备为电子天平，精度为0.001 g。先在电子天平中称量试件干重计为M空，接着将烧杯中倒入适量无水乙醇并放置于天平上将示数清零，再用细线将成型件悬挂，使其完全没入乙醇中，此时将天平读数计为M乙醇。试件的实际密度为

P=M空×P乙醇M空-M乙醇 ，

式中P乙醇为无水乙醇的密度（0.789 g/cm3），则试件的致密度P致为

P致=PP0 ，

式中P0为AZ91D镁合金理论密度（1.82 g/cm3）。

1.3.2试件力学性能检测

以正交试验所得的AZ91D镁合金优化工艺参数制备力学试件，并进行性能检测，同时与传统铸造工艺的试件进行对比，分析SLM技术的优缺点。考虑到SLM工艺制备拉伸试件的效率及实际需求，本文设计的拉伸试件的总长度为41 mm，标距长度为8 mm，标距宽度为2 mm，厚度为2 mm。拉伸试件示意图如图2所示。

力学性能检测设备为TH700维氏硬度计与UTM6503电子万能试验机，为保证试验数据的准确性，制备了多个拉伸试件进行检测与统计。

1.3.3试件热处理工艺研究

为了消除试件中的残余应力并进一步提升试件的抗拉强度及延伸率，需要对SLM工艺制备的AZ91D镁合金试件进行热处理工艺研究[12-13]。

如图3所示，根据Mg-Al二元合金相图可知[14]，铝在镁中固溶度随温度的降低而明显减小，故可利用固溶后淬火得到铝在镁中的过饱和固溶体，实现固溶体强化。

结合传统镁合金固溶处理工艺[15]，初步方案定为对试件进行413 ℃×6 h固溶处理。根据检测结果，运用X射线衍射与金相观察对热处理工艺进行分析，通过适当调整固溶处理的温度和时长，得到最佳的热处理工艺。

2结果与分析

2.1AZ91D镁合金工艺参数优化

初步试验表明，激光功率小于100 W时，试件会因得不到足够的激光能量而产生缺陷，而目前使用的SLM设备的最大输出功率为200 W，故将首次试验的激光功率确定为100～200 W。扫描速度小于300 mm/s时，不仅会延长成型件的制备时间，而且还会加剧成型仓内烟尘的产生。当扫描速度超过1 100 mm/s以后，会因扫描速度过快而造成镁合金粉熔化不充分，故将首次试验的扫描速度拟定为300～1 100 mm/s。

扫描间距主要影响成型件熔道之间的搭接，扫描间距低于60 μm会造成粉末过熔化，影响成型质量；扫描间距过高会引起熔道之间搭接出现间断，同样不利于致密度的提升，故将扫描间距拟定为60～80 μm。

将扫描间距设为固定值60 μm，以激光功率为横坐标，20 W的功率差值为一个跨度；以扫描速度为纵坐标，200 mm/s的扫描速度差值为一个跨度，最终建立6×5的试验矩阵。其致密度变化曲线如图4所示。

结果表明，当功率较低时，激光能量不足以充分熔化粉层，就会使得试件产生内部缺陷；当激光功率较高时，又会使输入的激光能量过大，加剧了粉体的气化现象，使试件产生微小气孔。当扫描速度较低时，会使能量密度升高，从一定程度上加剧了气化现象，因此致密度会随着扫描速度的增长缓慢上升达到峰值；一旦扫描速度超过峰值，随着扫描速度的增大，致密度就会急剧下降，这主要是由于扫描速度太快使激光能量作用时间太短，不足以将金属粉末完全熔化成型。结合试验结果，认为较好的工艺参数范围如下：激光功率为160～180 W；扫描速度为400～600 mm/s；扫描间距为60～80 μm。

结合正交试验方案和初步试验得到的工艺参数范围，确定正交试验表如表1所示。

通过极差分析得到镁合金试件致密度的优化工艺参数如下：激光功率为180 W；扫描速度为500 mm/s；扫描间距为60 μm。按照上述工艺进行成型试验，试件致密度达到99.8%。

2.2试件力学性能检测

对力学试件进行维氏硬度检测和拉伸试验。结果表明，运用致密度的优化参数制备的试件屈服强度为200 MPa，抗拉强度为285 MPa，延伸率为32%，维氏硬度为135 Hv。制备的拉伸试件如图5所示。

将SLM试件与传统铸造件的力学性能进行对比，如表2所示。

试件类型抗拉强度/MPa延伸率/%维氏硬度/HvSLM试件2853.2135铸造件1763.067

经对比可知，SLM工艺制备的试件拉伸强度和硬度均远超传统铸造件，而延伸率与铸造件基本相等。

2.3试件热处理工艺

对试件进行了413 ℃×6 h固溶处理，并用X射线衍射检查表明：该工艺可以将镁合金试件内部的部分硬脆相β-Mg17Al12溶入到固相α-Mg内，但未实現完全固溶。对热处理工艺做进一步优化，适当提升固溶处理温度，由413 ℃增长到420 ℃，延长固溶时间由原来的6 h增长到12 h。再对试件进行X射线衍射检测表明：420 ℃×12 h的固溶处理方案，可显著提升固溶效果。经力学性能检测并与未处理试件对比，该工艺可明显提高试件的延伸率，由最初的3.2%提升至5.9%；对抗拉强度的提升较小，基本与未处理试件持平，维持在285 MPa左右；其屈服强度出现下降，由最初的200 MPa降至170 MPa。图6为未处理试件金相图，图7为固溶处理金相图。

3结论

运用正交试验和极差分析等方法对激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数与AZ91D镁合金试件致密度进行研究，得到了优化工艺参数：激光功率为180 W；扫描速度为500 mm/s；扫描间距为60 μm。运用该工艺制备的试件致密度达99.8%，屈服强度为200 MPa，抗拉强度为285 MPa，延伸率为32%，维氏硬度为135 Hv。对试件进行420 ℃×12 h固溶处理，可使延伸率增长至5.9%，屈服强度降至170 MPa。

目前，只是通过少量试验得到上述结果，缺乏对相关数据进行数理统计分析。下一步应加大样本量，运用科学合理的方法对数据进行统计分析，以得到更加可靠的结果。同时，还需要考虑构件成型精度等因素进一步优化相关参数。

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