激光选区熔化成形ZK61工艺及组织性能研究文档格式.docx
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(Mg0.97Zn0.03)替换了常规的β(MgZn)相,晶粒尺寸仅为铸造ZK61的1/25。
SLM成形ZK61镁合金显微硬度为100HV左右,约比铸造ZK61高出40%;
在孔洞缺陷制约下,SLM成形ZK61镁合金的压缩性能与轧制ZK61性能有一定差距。
关键词:
激光选区熔化;
ZK61;
工艺优化;
组织性能
TG146;
V19
StudyonProcessandMicrostructureandPropertiesofZK61AlloyfabricatedbyLaserSelectiveMelting
YuanHongwei
(GuizhouAerospaceFenghuaprecisionequipmentCo.,Ltd,GuizhouGuiyang,550009)
Abstract:
Magnesiumalloyhasbeenwidelyusedinautomotive,aerospaceandotherfieldsduetoitslowdensityandhighspecificstrength,andisthepreferredmaterialforgreenmanufacturing.SelectiveLasermelting(SLM)hasgreatpotentialinfabricatingmagnesiumalloypartswithexcellentperformanceandcomplexstructure.Inthispaper,ZK61highstrengthmagnesiumalloywasusedasexperimentalmaterialtostudytheinfluenceofsubstratematerialonthefabricatingperformanceofZK61,theinfluenceofSLMprocessparametersonthedensityofZK61.MicrostructureandmechanicalpropertiesofZK61fabricatedbySLMwithoptimizationparameterswereanalyzed.TheresultsindicatedthatSLMformingZK61alloyhasstrictrequirementsonthesubstrate,andsubstratewithroughlythesamecompositionandgoodwettabilitywasrequired.TheSLMformingwindowofZK61wasnarrow,andtherelativedensityoftheformingpartwassensitivetoSLMparameters.Undertheoptimalparameters,specimenswiththerelativedensityupto99.3%canbeformed.Duetorapidcooling,theconventionalβ(MgZn)phasewasreplacedbyβ'
(Mg0.97Zn0.03)phaseinSLMZK61alloy,andthegrainsizeofSLMZK61alloywasonly1/25ofthatofthecastZK61.ThehardnessofZK61alloyfabricatedbySLMwasabout100HV,whichwasabout40%higherthanthatofcastingZK61.Duetotherestrictionofholedefects,therewasagapbetweenthecompressionpropertiesofSLMZK61alloyandthatofrollingZK61.
Keywords:
selectivelasermeltingZK61processoptimizationmicrostructureandproperties
1前言
镁合金以其密度小、比强度高、比刚度高、良好的电磁屏蔽性能等优点,被广泛应用于汽车、航空航天、能源等领域,成为节能减排、绿色制造的首选材料[1]。
ZK61镁合金是常用镁合金中强度较高的,被广泛应用于国内军工领域[2]。
然而ZK61镁合金存在热裂倾向大、塑性差等缺点,镁合金的铸造和锻造零部件成品率低,采用传统铸造和锻造方法制造性能优越、结构复杂的ZK61镁合金零部件是一大科学与工程难题[3]。
近年来,3D打印技术的出现与发展为制造高性能、结构复杂的镁合金零部件提供了新思路。
作为3D打印技术之一的激光选区熔化技术(Selectivelasermelting,SLM),通过逐层堆叠能直接成形出近乎完全致密、力学性能良好的金属零件[4]。
目前SLM技术在模具钢、铜合金、镍基高温合金等材料方面的研究取得了很大进步,制造出来的零部件性能同锻件相当[5]。
但是在镁合金方面的SLM成形技术,国内外研究尚处于起步阶段。
M.M.Savalania等从微观组织和力学性能对SLM成形纯镁做了基础研究,发现纯镁SLM成形件的微观组织好坏取决于粉末粒径[6]。
Savalani等研究了铺粉层厚对SLM制备单道纯镁的尺寸精度(熔化深度、熔化宽度等)和力学性能(弹性模量、纳米硬度)的影响规律[7]。
Zhang等研究了激光能量密度对SLM成形的Mg-9%Al合金的致密度影响,发现致密度随着能量密度的增大呈现先增加后减小的规律[8]。
魏凯文研究了SLM工艺参数对AZ91D合金成形性和致密度的影响,并成形出相对致密度高达99.5%近乎全致密的AZ91D合金块体[9]。
目前国内外对SLM成形镁合金的研究仍处于基础起步阶段,针对镁合金的SLM工艺研究开展的研究工作很少,SLM成形镁合金的文献鲜有报道。
为此,本文以ZK61镁合金粉末作为成形材料,研究了基板材质、工艺参数对ZK61镁合金的SLM成形性能的影响,同时,对比分析了优化参数下SLM成形的ZK61合金与铸造锻造ZK61合金的组织和力学性能。
为SLM成形高性能ZK61镁合金零件奠定基础。
2实验方法
2.1试验材料
试验材料采用唐山威豪镁粉有限公司气雾化法制备的ZK61镁合金粉末,粉末平均粒径为52.9μm。
ZK61镁合金名义成分及含量如表2所示。
电镜下观察粉末形貌如图2所示,粉末颗粒呈现近球形,流动性良好,有利于铺粉。
表2ZK61镁合金化学成分及含量(Wt.%)
Table2ChemicalcompositionandcontentofZK61magnesiumalloy(Wt.%)
元素
Mg
Zn
Zr
Fe
Mn
Ni
Cu
Si
Al
含量
94.46
5.203
0.31
0.0071
0.0058
0.0036
0.0013
0.0010
0.0007
图2ZK61镁合金粉末形貌。
Fig.2MorphologyofZK61alloy
2.2SLM成形ZK61工艺探索
2.2.1成形设备
实验成形ZK61镁合金采用的设备为贵州航天风华自主研发的激光选区熔化SLM增材制造设备(图2)。
设备配备进口单模光纤激光器,最大激光功率为500W,激光光斑直径100μm左右,波长1064nm,动态式聚焦振镜最大扫描速率为7m/s,焦平面光斑尺寸:
≤0.03mm,扫描器重复定位精度≤0.02mm,成形台面尺寸为300mm×
300mm×
350mm,铺粉方式为上落粉式,单缸单向送粉,具有全封闭恒温循环水冷系统、惰性气体循环系统及除静电系统,软件为国产化HUST3DP程序,可进行自动切片及自动规划扫描路径,实现智能化加工。
图2HKM300装备
Fig.2HKM300equipment
2.2.2SLM成形ZK61基板材质选用研究
按照HKM300设备基板尺寸标准图纸车削加工316L不锈钢、AlSi10Mg铝合金和ZK61镁合金3种材质基板,表面进行打磨抛光处理,保证表面粗糙度一致。
分别采用3种基板,按照设置好的打印参数进行10mm×
10mm×
10mm块体成形。
具体的工艺参数为:
扫描间距70μm,铺粉厚度40μm,基板预热80°
C,氧含量500ppm以下,逐行扫描策略,9组激光功率和扫描速度组合,具体参数如下表2所示。
表2研究基板材质对块体成形性的打印参数设置
Table2settingoflaserparametersformassformabilityofthebaseplatematerial
LaserpowerP(w)
ScanningspeedV(mm/s)
ScanningintervalHS(μm)
LayerthicknessD(μm)
P1=100
V1=100
P2=140
V2=300
HS=70
D=40
P3=180
V3=500
2.2.3SLM成形ZK61激光参数优化
ZK61块体SLM成形实验设置了4个不同激光功率和4个不同激光扫描速度,激光功率依次取50w、60w、70w、80w,扫描速度依次取100mm/s、200mm/s、300mm/s、400mm/s一共16组参数。
扫描间距固定为70μm,铺粉厚度固定为40μm,基板预热80°
C,氧含量500ppm以下。
对上述参数成形出的块体进行相对致密度和光镜分析,光镜使用德国蔡司公司生产的PrimoStar型光学显微镜,确定出SLM成形ZK61镁合金的合理工艺窗口。
2.3SLM成形ZK61镁合金组织性能研究
在用HKM300设备打印展示件及对应测试样前,将ZK61粉末置于80℃的干燥箱中保温8h,除去粉末中的水分,提高其在铺粉过程的流动性。
选用ZK61基板进行打印,基板在打印前进行打磨、表面喷砂和清洁处理。
选用优化的SLM工艺参数,铺粉厚度为40µ
m,扫描间距为70µ
m,基板预热80℃,扫描速度100mm/s,激光功率60w,采用逐
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