ZL205A金属粉末选区激光熔化的成形工艺优化研究

饶江华 周子群 梁小文

东华理工大学长江学院 江西 抚州 344000

0 引言

选区激光熔化(Selective Laser Melting，SL M)技术是激光增材制造技术的一种，随着科学进步与生产需求的增长，在航空航天、医疗等高新领域上得到推广，是最具发展潜力的增材制造技术之一。

近几年来，随着3D打印行业的快速发展，越来越多的高校也逐步加入了选区激光熔化(SL M)设备及材料研发的行业。获得组织致密、性能优异的零部件是SLM成形的重要目标。因此，针对ZL205A铝合金粉末，以致密度为优化目标，基于选区激光熔化技术展开成形工艺优化实验，提出合理的成形工艺方案。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料 实验所用的材料为ZL205 A铝合金粉末，合金牌号为ZAl Cu5 MnCd VA，简称ZL205A，其中Cu含有4.6～5.3%，Mn含有0.3～0.5%，其余大部分为Al元素。

1.2 实验设备 实验采用国内中瑞科技公司研发的新一代SL M－300成型设备，采用IPG公司制造的YLR－500－WC单模掺镱光纤激光器，波长为1070n m。激光最大功率为500 W，最大扫描速度为5000 mm/s，可成形铝合金、钛合金、高温合金等粉末材料。

2 实验结果分析

2.1 激光功率对ZL205 A合金粉末成形件致密度的影响 研究了激光功率(300 W、350 W、400 W、450 W)对ZL205 A合金粉末的选区激光熔化成形试样的致密度影响。在相同的扫描速度下，随着激光功率的增大，ZL205 A合金粉末SL M成形试样的致密度增大。而在激光功率一定的条件下，样品的致密度随着扫描速率的变大呈现先增大后减小的趋势。在激光功率为450 W时，SL M成形试样的致密度在不同的扫描速率下均为最高，故将ZL205 A合金粉末SL M成形的激光功率定为450 W。

2.2 扫描速度对ZL205A合金粉末成形件致密度的影响 如图1所示不同扫描速度下SL M成形ZL205 A合金试样致密度曲线。从图中可以得出，随着扫描速度的增大，SL M成形ZL205 A合金试样的致密度出现先变大后减小的趋势。当扫描速度小于800 mm/s时，试样的致密度要低于94%，造成这样的原因是成形过程中粉末的流动性差，导致铺粉效果不好，出现了较多的球化缺陷。在激光扫描速度较慢时，铝合金粉末吸收的能量较多，熔化的液态金属也较多，在激光冲击作用和成形室内保护气体气流的循坏作用下发生了液态金属及粉末的飞溅。当有些小的金属球回落到激光扫描轮廓区时已经凝固，部分颗粒熔化粘结形成团聚，导致了球化现象。形成的球化凸起导致新一层的铺粉不连续、不平整效果。

2.3 不同扫描间距下ZL205 A合金粉末SL M成形试样致密度的分析 在其他工艺参数不变，而扫描速度为变量的情况下，研究不同扫描间距对SL M成形ZL205 A合金试样的致密度影响。

结果如图2所示，在扫描速率小于800 mm/s的条件下，试样的致密度维持在93%左右，试样的致密度不随着扫描间距的变化而变化。在扫描间距分别为0.05 mm、0.07 mm时，样品的致密度随着扫描速度的变化而变化不大的，而在扫描速度为1200 mm/s～2000 mm/s条件下，致密度随着扫描间距的增大呈现先变大后减小的趋势。由于扫描速度较低的时候，熔池存在时间较长，导致单道熔池线条更宽。扫描间距为0.11 mm的ZL205 A成形试样致密度随扫描速度的增加却急剧下降。这是因为扫描间距太大，很有可能出现相邻两激光线之间衔接不够好。

图1 不同扫描速度下ZL205 A合金粉末SL M成形试样致密度曲线

图2 不同扫描速度下扫描间距对ZL205 A合金粉末成形试样致密度的影响

3 总结

在其他工艺参数确定的情况下，试样致密度随着激光功率的增加而增大。当激光扫描速度为1200～1400mm/s时，不同的激光功率下试样的致密度都是最高。扫描速度对成形质量有着至关重要的影响，在一定的扫描速度范围内，试样致密度是先增后减的规律，当扫描速度大于2000 mm/s时，SL M试样的致密度下降。这是因为扫描速度太快，在SLM过程中激光与合金粉末的作用时间太短了，无法将ZL205 A合金粉完全熔化，在熔池中还有未完全熔化的粉末颗粒，产生了很多不均匀的孔洞。在较小的扫描间距范围内，试样的致密度会比较好，但是在其他工艺参数一定的范围内，扫描间距对成形质量变化不大。综合以上分析，最终确定了ZL205 A合金粉末SL M成形过程中较好的工艺参数为：激光功率450 W，扫描速度1200 mm/s～1400 mm/s，扫描间距0.09 mm。