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31
2023
-
10
铝合金粉末选区激光熔化成形工艺研究
产品信息
● 产品名称：2A12（2024）铝合金粉
● 性状：灰色粉末状
● 牌号：
- 2A12\ LY12（GB/T）
- 2024（AA，NF）
- AlCu4Mg1（ISO）
- A2024(JIS)
- AΠ16(TOCT)
- AlCuMg2(DIN)
- GB-24S(BS)
● 用途：适用于飞机结构（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等），铆钉、导弹结构、螺旋桨元件，其他各种轻量化结构件等。
2024铝合金粉图源：天久金属
摘 要 ：采用自主研发的金属增材制造设备对2024铝合金粉末进行了选区激光熔化成形 ，研究了不同工 艺参数下该合金的显微组织及室温拉伸性能。结果表明，激光功率为260W,扫描速度 900 mm/s，扫描间隔0.12mm时，2024铝合金显微组织细小，结构致密，抗拉强度为372 MPa，伸长率为6.1%，具有较高的室温力学性能。
选区激光溶化(Selective Laser Melting,SLM)技术，利用高能激光束熔化金属粉末，逐层叠加，使之直接形成具有冶金结合特性的高强度、高精度金属构件。国外EOS、Renishaw等公司生产的SLM设备成形精度高，市场占有率大，技术成熟。近年来国 内 SLM设备研发在技术上有了快速的提高，但在复杂构件成形精度上与国外制造商仍有一定差距。
2xxx系Al合金室温性能好、塑性韧性高、易于切削加工，广泛应用于军工、汽车、船舶等制造业。但是由于其易氧化，对激光反射率高、吸收率低，焊接性弱，成形十分困难。张虎等利用SLM技术成形了Al-Cu-Mg合金，致密度达到99%以上。梁小文,刘志权等采用450W的激光功率得到了组织细小的ZL205A合金。其它关于2XXX系Al合金SLM成形的研究则鲜有报道。
本文采用自行研制的激光增材制造设备，对2024铝合金进行选区激光熔化工艺优化，以得到高强2024铝合金。
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1、试验材料与方法
实验材料采用**公司生产的2024铝合金球形粉末，其成分如表1所示，粉末粒径分布范围为15~53 um。
SLM成形试验在本公司自主研发的HLJ-300设备上进行，工作原理如图1所示，成形尺寸为300 mm×300 mm×350 mm，光纤半导体激光器的最大输出功率为500W，最大扫描速度为7000 mm/s。
将金属粉末在真空烘箱内烘干(40 ℃左右,2h)，在基板表面铺上一层细细的金属粉末，接通氩气，待氧含量小于200×10后开始打印。扫描方式采用“分组变向”，如图2所示,相位角为90°，激光通过首尾相连的方式沿着图中箭头的方向，依次扫描每一层的截面轮廓，直至最终成形。
本实验采用的激光功率、扫描速度、扫描间隔等工艺参数见表2。
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2、试验结果及讨论
按表2制定的工艺参数，最终测试得到的致密度结果见表3。
由图3得知，在同一扫描速度下，随激光功率的增加，致密度呈先升高后降低的趋势，在260w时最高；激光功率一定，扫描速度为900mm/s 时，致密度最好。
激光功率为250 W时，摄入能量较低，成形件的致密度相对不高；激光功率为270 W时，高能激光作用在单位体积的铝合金粉末上，粉末在单位时间内吸入过剩的能量使得冷却时间变长而导致合金熔体汇聚，造成致密度下降。
当扫描速度为800 mm/s时，扫描速度相对较低，使得部分熔滴飞溅并快速冷却凝固，回落到合金熔体表面，从而造成未熔颗粒、凹坑等缺陷;当扫描速度为1000 mm/s 时，此时粉末对激光的吸收率略有降低，合金熔体流动性降低，层与层之间的搭接存在空隙，容易形成气孔等缺陷。
以扫描速度900mm/s为例，分别测试了激光功率为250、260、270 W时的力学性能,(拉伸试样尺寸如图4) ，结果见表4和图5。
由表4及图5可知,随激光功率的增加，伸长率呈下降趋势，但总体来说变化不大；抗拉强度呈现出先升高后下降的趋势，在激光功率为260W时最高，为372MPa。
图6为3组式样沉积态显微组织。粉末从熔化到冷却凝固通常在数十微秒之内完成，具有快速冷却的特点，凝固过程过冷度天，晶粒细小，显著提高了该合金的室温力学性能。
3、结论
(1)在SLM成形过程中，在同一扫描速度下，随激光功率的增加，致密度呈先升高后降低的趋势，在260W时最高；激光功率一定，在扫描速度为900 mm/s时，致密度最好；
(2)激光功率为260W，扫描速度900mm/s，扫描间隔0.12mm时，2024铝合金显微组织细小，致密度达99.1%，抗拉强度为372MPa，伸长率为6.1%，具有较高的室温力学性能;
(3)在SLM成形过程中冷却速率高，过冷度大，晶粒细小，因此2024铝合金具有较高的室温力学性能。
【天久金属-铝合金粉系列】
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铁基粉末（316L、304L、17-4PH、440C、S-136、H13、18Ni300）
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文章来源：铝高端制造
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