真空氣霧化法制備AlSi10Mg粉末參數(shù)優(yōu)化及打印態(tài)組織性能研究

與傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)不同，增材制造（AM）技術(shù)是一種“自下而上”材料累加的制造方法。增材制造技術(shù)的原料有粉末狀和絲狀，其中粉末狀材料的應(yīng)用更廣，包括鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅合金等粉末。球形粉末質(zhì)量關(guān)系到金屬增材制造成形件的精密度，所以球形粉末的制備是生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

本文所用粉末由真空氣霧化法制備，主要研究了氣霧化壓力對AlSi10Mg粉末粒度分布區(qū)間和平均粒徑的影響，同時(shí)分析了環(huán)縫噴嘴和環(huán)孔噴嘴對氣霧化粉末質(zhì)量的影響。采用選區(qū)激光熔化的方式將粉末制備成AlSi10Mg合金，通過掃描電鏡（SEM）和拉伸試驗(yàn)等手段，研究了沉積態(tài)微觀組織形貌及力學(xué)性能，驗(yàn)證了AlSi10Mg粉末制備的增材制造部件的質(zhì)量。

本文采用真空感應(yīng)熔煉氬氣霧化（VIGA）設(shè)備制備AlSi10Mg合金粉末，選取的工藝參數(shù)如下：過熱度為200℃，霧化角度為41°，霧化壓力為3.5、4.0、4.5、5.0MPa，噴嘴采用環(huán)縫與環(huán)孔2種。掃描策略為層內(nèi)光柵掃描，第N+1層相對第N層旋轉(zhuǎn)90°，如圖1所示。打印前對合金粉末進(jìn)行150℃真空干燥4h處理，以除去粉末表面吸附的水分。使用線切割機(jī)將打印試樣切成5mm×5mm×5mm方塊以供金相觀察，拉伸試樣則按GB/T228—2002要求進(jìn)行加工，如圖2所示。

球形AlSi10Mg粉末粒徑不同霧化壓力對AlSi10Mg粉末平均粒徑的影響如圖3所示?？梢姡S著氣霧化壓力的增大，粉末的平均粒徑呈先減小再增大的趨勢。粉末區(qū)間粒度分布隨氣霧化壓力變化的趨勢如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣霧化壓力為3.5~5.0MPa時(shí)，AlSi10Mg合金粉末的大部分粒度為25~105、16~95、16~130、18~120μm。取粉末粒徑中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高區(qū)間的粉末平均粒徑為全部粉末平均粒徑值，則對應(yīng)的平均粒徑分別為44.1、31.20、48.57、54.10μm。這是因?yàn)楫?dāng)氣霧化壓力增大時(shí)，氣體動(dòng)能增大，能夠完全地撞擊熔融金屬液流并將其擊碎為更小的熔融金屬液滴，導(dǎo)致粉末粒度分布區(qū)間及平均粒徑明顯減小。

采用環(huán)縫噴嘴和環(huán)孔噴嘴霧化制備的粉末粒度區(qū)間如圖5所示?？梢?，與環(huán)孔噴嘴相比，由環(huán)縫噴嘴制備的AlSi10Mg粉末平均粒徑更小，粒度分布區(qū)間更窄。

由氣霧化法制備的AlSi10Mg粉末粒度分布如圖6所示。當(dāng)氣霧化壓力為3.5MPa時(shí)，粒度為40μm左右的粉末占所有粉末總量的46.1%，粒度小于70μm的粉末占所有粉末的76.7%

AlSi10Mg粉末掃描電鏡圖像如圖7所示?？梢?，粉末表面較光滑且有良好的球形度，適合增材制造使用。為觀察粉末內(nèi)部顯微組織，對球形粉末進(jìn)行鑲嵌腐蝕，如圖8所示。可見，內(nèi)部組織由胞狀晶和樹枝晶構(gòu)成。

對沉積態(tài)樣品進(jìn)行SEM測試，沿平行于沉積方向打印的AlSi10Mg合金微觀組織如圖10所示。以看出，AlSi10Mg合金表面是細(xì)長條狀、多層的熔覆組織，由生長方向不同的柱狀晶和枝狀晶組成，組織細(xì)小且均勻。

針對AlSi10Mg粉末，采用SLM制備7個(gè)樣品，取樣方向均為平行于沉積方向由表1可知，與砂型鑄造的AlSi10Mg成形件相比，各打印件拉伸試樣的拉伸性能更為優(yōu)異且各拉伸件的差距較小，試棒成分相同，打印成形時(shí)的工藝參數(shù)也相同。

對拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行SEM測試分析，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，成形件的斷裂形態(tài)可以分為韌窩和條狀的弧坑邊緣。韌窩和條狀弧坑邊緣是孔洞形核長大和聚合在斷口上留下的痕跡，它們是韌性斷裂的顯著特征綜上所述，SLM制備的AlSi10Mg合金以沿晶斷裂為主。

1）隨著氣霧化壓力的增大，球形AlSi10Mg粉末粒度分布區(qū)間和粒徑先減小后增大。當(dāng)氣霧化壓力為4.0MPa時(shí)，粒度分布區(qū)間和粒徑最小，隨著霧化壓力的進(jìn)一步增大，粒度分布區(qū)間和粒徑變大。

2）當(dāng)保持其他工藝參數(shù)不變時(shí)，由于環(huán)縫噴嘴可以提供更穩(wěn)定、更均勻并且速度更大的高壓氣流來均勻有力地?fù)羲榻饘偃廴谝毫?，因此，它制備得到的金屬粉末粒度分布區(qū)間更小，粉末平均粒徑也更小。

3）由真空氣霧化法制備得到的粉末球形度較高，適合用于增材制造，制備出的合金力學(xué)性能較為優(yōu)越。

CHENG FENG

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AlSi10Mg 是一種常見的增材制造鋁合金粉末。其具有良好的工藝性，密度小，抗蝕性良好，從而在航空、儀表及一般機(jī)械中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞、輪轂、轉(zhuǎn)向助力器殼體等。

可用于選區(qū)激光熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）、激光直接沉積（DLD）、粉末冶金（PM）、注射成型（MIM），激光熔覆（Laser Cladding）等工藝。

【真空氣霧化法制備AlSi10Mg粉末

參數(shù)優(yōu)化及打印態(tài)組織性能研究】

文章編號：1674-6457(2024)02-0096-08