摘要
铝硅合金具有良好的力学性能和铸造性能，其密度较小，抗蚀性良好，铝硅合金铸件在航空、仪表及一般机械领域中得到广泛的应用，例如汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体等。但铝硅合金在铸造过程中会形成很多缺陷，而且存在生产周期长材料利用率低等问题。
针对传统铸造铝硅合金成形复杂形状零部件过程中出现的生产模具成本高、生产周期长、材料利用率低等突出问题，本论文利用Solidworks建模软件建立了选区激光熔化AlSi10Mg合金构件,并对其进行添加支撑处理。研究了支撑添加的目的，构件的摆放对支撑添加的影响，支撑的类型和支撑添加的考虑因素。通过对支撑的结构设计和成形构件临界倾角的研究，得到了三种支撑的结构设计，并分析了支撑齿形的几个参数对成形构件质量和去除支撑结构的影响，得出选区激光熔化成形构件临界倾角为30°，最后分析研究了目前支撑的添加所遇到的问题和解决方法。
研究影响选区激光熔化成形过程中构件质量的因素。通过打印弯管实物可知，台阶效应对于选区激光熔化成形弯管的曲面结构影响较大，直接影响成形构件曲面的表面质量，要想得到质量比较好的成形构件，必须尽量减小台阶效应的影响。对加支撑后得到的模型进行切片处理，得到G代码，导入金属打印机EOS中进行打印。通过实验研究得到选区激光熔化AlSi10Mg合金最优的工艺参数为：激光能量：200W；激光扫描速度：200mm/s；激光扫描间距：0.15mm；激光停留时间：80μs；铺粉层厚：30μm。
在最优工艺参数条件下制备成形构件，对比研究了选区激光熔化AlSi10Mg合金与传统铸造AlSi10Mg合金的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、断裂伸长率等力学性能参数，发现选区激光熔化AlSi10Mg合金力学性能更加优异。
对最优工艺参数条件下得到的选区激光熔化AlSi10Mg合金试样进行热处理，具体工艺为：在450℃温度条件下分别保温1h，2h、4h，然后将其放入水中进行水冷处理。通过对比热处理前后选区激光熔化AlSi10Mg合金的硬度、显微形貌、微观形貌的变化，探究了热处理工艺对合金上述性能的影响。结果表明，随着热处理的进行，试样的硬度先减小后趋于平缓，但还是高于铸造AlSi10Mg合金的硬度。通过对合金进行热处理，
中北大学学位论文使得合金内部组织的结构和成分更加的均匀。分析试样表面微观形貌后得出，合金中的孔隙缺陷主要是由于选区激光熔化过程中凝固速率快导致粉末颗粒之间存在的气体溶解在熔池中导致的。
关键词：选区激光熔化，AlSi10Mg合金，支撑添加，构件成形，性能研究
中北大学学位论文TheStudyonformingandpropertiesofselectivelasermelting
AlSi10Mgalloy
abstract
Aluminumsiliconalloywithgoodmechanicalpropertiesandcastingproperties,thesmallerdensity,goodcorrosionresistance,AlSialloyhasbeenwidelyusedinaviation,fieldinstrumentationandgeneralmachinery,suchasautomobileenginecylinderhead,intakemanifold,piston,wheels,steeringdeviceshell.Butthealuminumsiliconalloywillbeformedalotofdefectsinthecastingprocess,andthereisalongproductioncycleandlowutilizationofmaterials.
Aimingattheproductionofcomplexshapedpartsofthecastingaluminumsiliconalloymoldinginthetraditionalmoldofhighcost,longproductioncycle,lowutilizationrateoftheoutstandingproblemsofmaterials,thispaperestablishedaselectivelasermeltingAlSi10MgalloycomponentsbyusingSolidworkssoftware,andcarriesontheprocessingofaddingsupport.Supportaddedtothecomponentplacementtheeffectofaddingsupport,typeandsupportconsiderationsaddsupport.Throughtheresearchonthestructuredesignofthesupportingandformingcomponentcriticalinclination,thestructuredesignofthethreesupport,severalparametersandanalyzesthesupportingtoothontheformingqualityofcomponentAndtheinfluenceofthesupportstructureisobtained,andthecriticaldipangleoftheselectivelasermeltingformingcomponentis30°.Finally,theproblemsandsolutionsofthecurrentsupportareanalyzed.
Studyontheinfluencingfactorsofcomponentselectivelasermeltingformingprocessbyprintingquality.Therealelbow,stepeffecthasgreatinfluenceonthesurfacestructureofselectivelasermeltingformingtube,directlyaffectsthesurfacequalityofformingcomponentsurface,inordertogetbetterqualityoftheformingstructure,influencemustbereduced.Thestepeffectofaddingsupportafterthemodelslicingprocessing,Gcode,printintoametalprinterEOS.ProcessparametersofselectivelasermeltingofAlSi10Mgalloybyoptimalexperimentstudyoflaserenergy:200W;laserscanningspeed:200mm/s;shockOptical
中北大学学位论文scanningspacing:0.15mm;laserresidencetime:80μs;powderlayerthickness:30μm.intheoptimalprocessparametersundertheconditionsofprintingtherequiredcomponents.
Undertheoptimalconditionsforpreparationofformingcomponent,tensilestrength,comparativestudyofselectivelasermeltingofAlSi10MgalloyandconventionalcastingalloyAlSi10Mgyieldstrength,elasticmodulus,elongationandothermechanicalpropertiesselectivelasermelting,foundthatthemechanicalpropertyofAlSi10Mgalloyismoreexcellent.
HeattreatmentofselectivelasermeltingAlSi10Mgalloyspecimenandobtaintheoptimalprocessparameters,thespecificprocessis:in450℃respectively.1h,2h,4h,andthenputitintothewaterbywatertreatment.ThroughthecontrastbeforeandafterheattreatmentofselectivelasermeltingofAlSi10Mgalloyhardness,microstructure,morphologytheinfluenceofheattreatmentonthepropertiesofthealloy.Theresultsshowthatwiththeheattreatment,thehardnessofthesampledecreasesfirstandthenleveledoff,butstillhigherthanthehardnessofcastAlSi10Mgalloybyheatofalloy.Thestructureandcompositionoftheinternalstructureofthealloyaremoreuniform.Itisfoundthattheporedefectsinalloyaremainlyduetotherapidsolidificationrateintheprocessofselectivelasermelting,whichresultsinthedissolutionofgasbetweenthepowderparticlesinthemoltenpool.
Keywords:selectivelasermelting,AlSi10Mgalloy,supportaddition,componentforming,performancestudy
中北大学学位论文目
第一章绪论
录
1.13D打印技术简介........................................................................................................................1
1.1.1选区激光熔化技术及原理概述.................................................................................11.1.2选区激光熔化（SLM）技术特点...............................................................................21.1.3选区激光熔化技术的研究现状..................................................................................31.1.4选区激光熔化技术的应用..........................................................................................61.2Al-Si合金的性能及应用........................................................................................................71.3Al-Si合金的研究现状.............................................................................................................81.4选区激光熔化AlSi10Mg合金的研究现状.......................................................................101.5论文研究的目的和主要内容................................................................................................10
1.5.1研究目的........................................................................................................................101.5.2研究内容..........................................................................................................................11
第二章．实验材料、设备及实验方法
2.1实验所用AlSi10Mg粉末的基本性能................................................................................12
2.1.1实验所用AlSi10Mg粉末的化学元素组成..........................................................122.1.2实验所用AlSi10Mg粉末的物理性能...................................................................122.1.3实验所用AlSi10Mg粉末的显微形貌...................................................................132.1.4实验所用AlSi10Mg粉末的物相组成...................................................................132.2实验所用设备............................................................................................................................142.3组织分析方法............................................................................................................................16
2.3.1试样的制备....................................................................................................................162.3.2制备的样品分析方法..................................................................................................17
第三章选区激光熔化AlSi10Mg合金构件成形研究
3.1引言..............................................................................................................................................193.2合金构件模型的建立及支撑结构分析..............................................................................19
I
中北大学学位论文3.2.1支撑添加的目的..........................................................................................................193.2.2模型摆放对支撑添加的影响...................................................................................203.2.3支撑的类型和支撑添加的考虑因素.......................................................................213.2.4支撑的结构设计和成形构件临界倾角的研究....................................................253.2.5添加支撑时遇到的问题及未来解决方法.............................................................283.3合金构件的成形及工艺参数研究.......................................................................................303.4本章小结......................................................................................................................................31
第四章选区激光熔化AlSi10Mg合金力学性能及热处理工艺研究
4.1引言..............................................................................................................................................334.2选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能.......................................................................334.3热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金硬度的影响...........................................354.4热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金形貌的影响...........................................364.5本章小结.....................................................................................................................................38
结论参考文献
致谢
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中北大学学位论文第一章
1.13D打印技术简介
绪论
3D打印技术，专业术语称之为增材制造技术，也即所说的“快速成型技术”。是最近几年迅速发展的一种最为先进的制造方法，代表了目前全球最前沿的科学技术。确切的说，3D打印是一种以塑料、金属、陶瓷、石膏、食材、生物细胞或组织等作为打印材料，以数字三维CAD模型文件为基础，进行逐层堆积的方式构造实体的一种技术，是通过电脑与3D打印机连接起来便可以将绘制的三维图形打印出模型实物的一种手段。增材制造是一种自下而上材料逐层叠加的工艺[1]。
3D打印的工作方式大大降低了制造的复杂度，不需要复杂的工艺，不需要各种其他的设备，不需要众多的人力，可以直接将电脑图形数据转换成任何形状的物品，可以说是一项具有革新性的生产制造方式。1.1.1选区激光熔化技术及原理概述
选区激光熔化(SelectiveIaserMelting，SLM)技术是以选区激光熔化技术为基础。它克服了SLS技术制造金属零件的复杂工艺过程，可以根据模型直接成型各种不同几何形状的构件，在反应过程中送入的金属粉末会完全熔化。SLM技术一开始是作为SLS技术的一个分支，但是随着技术的不断升级提高，在整个3D打印技术的应用领域越来越广，渐渐成为一种独立的3D打印方法。它是快速成型技术的最新发展。
选区激光熔化技术是通过对激光选区内的金属粉末完全熔化、经散热冷却固化后成形出3D实体的一种技术[2-3]。选区激光熔化技术需要添加支撑，其主要作用为：1）连接已成形和未成形的部分，很大程度上减小了收缩应力，避免构件周围发生翘曲。2）传递选区激光熔化时的热量，防止由于激光扫到过厚的金属粉末上，发生严重的塌陷[4]。
选区激光熔化技术的基本原理如图1.1所示，首先利用建模软件构建所需成形构件的三维模型，保存格式为STL；接着利用magics软件对模型进行添加支撑和修复漏洞；然后利用切片软件将建好的模型分层成一定层厚的切片；设计比较合理的扫描路径，接着利用选区激光熔化设备成形构件。在成形的过程中，刮刀按照一定的层厚将金属粉末
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中北大学学位论文铺在基板上，观察前几层的铺设情况，适当调整送粉量。激光扫描熔化加工完一层金属粉末后，工作平台下降一个层厚的高度，装金属粉末的粉料缸上升一个层厚的距离，切刀继续均匀的在已经加工好的当前层铺设一层金属粉末，继续进行打印，如此循环往复，直至金属零件被加工完成。需要注意的是，在整个加工进行过程中，必须不断的通入惰性气体（如Ar气），以免加工的金属粉末在激光扫描熔化下与空气发生反应，影响金属成形质量[5]。取出成形构件后，去除所添加的支撑结构，对构件表面进行打磨喷丸处理。
图1.1SLM成型原理示意图1.1.2选区激光熔化（SLM）技术特点
一般传统意义上的机械制造都是基于“减”材制造的基本工艺（如铣、磨、铸和锻、削），工件的制造比较复杂，一般需要多个工艺结合才能完成，尤其是对于一些复杂的工件更加难以加工制造。而选区激光熔化技术是一种金属增材制造工艺，相对于传统的机械制造来说，它是一体成型技术，只需依靠一台金属选区激光熔化设备便可以完成整个构件的成形。这种技术具体特点[6-7]为：
（1）适合加工不需要大批量生产的复杂形状的工件，尤其适合传统的机械加工工艺无法制造的复杂工件、金属磨具，在航空航天和医用方面应用广泛。
（2）这种技术为增材制造，相对于传统加工方法材料利用率高，成形过程中未利用的粉末可以收集下次加工使用，不会造成材料的浪费。
（3）利用一台打印设备便可直接成形金属工件，生产周期大大的缩短，省掉了中
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中北大学学位论文间的制造环节。
（4）选区激光熔化技术所制造的成形金属构件致密度接近于100%，并且具有良好的力学性能。
（5）选区激光熔化制造的构件有较高的尺寸精度（<0.1mm），构件表面粗糙度较低。
1.1.3选区激光熔化技术的研究现状
目前，对于选区激光熔化技术的研究，国内外主要集中于成形工艺、SLM设备的开发和成形材料三方面。
国内外针对选区激光熔化成形技术主要从成型工艺、设备开发及成型材料三方面研究，以下对这三方面分别进行介绍。
（1）国内外选区激光熔化技术研究
选区激光熔化(SLM)技术是利用高能量的激光将金属粉末熔化并凝固成型的过程，在成形加工过程中涉及多种工艺参数，其中主要包括:激光能量、激光扫描速度、激光停留时间、单层铺粉厚度、扫描间距以及金属粉体本身的物理化学性能等。利用激光将金属粉末熔化而成型为致密的金属零部件是非常困难的，在选区激光熔化(SLM)工艺过程中，由于高能激光在熔化每一层金属粉末的过程会产生液态金属的球化、汽化，层与层之间无法完全润湿等缺陷而导致部件的性能下降等问题，所以，选择性激光熔化(SLM)过程中针对不同的材料体系都需要对其工艺参数进行研究以减少以上问题的产生。
近几年来，国内外研究工作者对铝合金、钛合金、钴铬合金、铁基合金、铜基合金等粉体的选择性激光熔化(SLM)工艺参数进行了大量的研究。
Y.Tang学者分析研究了成形构件表面质量与工艺参数的关系，包括扫描速度、激光的功率大小、铺粉厚度、扫描间距等。
日本的学者进行了研究了多种金属粉末对金属成形致密度的影响，发现钛粉、铁粉的致密度最高，接着利用钛粉金属打印了医用人造义齿。对成形的构件进行性能研究分析。
英国的P.R.Chalker等人[8]研究了选区激光熔化的激光能量密度对成形构件的影响，
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中北大学学位论文通过一系列的实验研究，得出了结论：随着能量密度的增加，成形构件的密度和性能会相应的增加。
国内南京航空航天大学对选区激光熔化金属粉末过程的特征进行分析研究，分析了成形过程中出现熔池的原因，同时实验发现通过减少粉层厚度和加大激光功率有效的减少和避免熔池球化的现象。
华中科技大学自己研制了选区激光熔化设备，在保护气体或真空环境下对不锈钢粉末、高温合金粉末以及铁粉等进行了选区激光熔化实验，并取得相应成果。其中张升博士[9]研究了选区激光熔化成形技术在医用方面的应用，并对成形后的试样进行性能研究，对选区激光熔化技术在医用领域的推广起到了作用。
华南理工大学主要对选区激光熔化的成形金属粉末做了大量研究，并通过大量的实验研究获得了性能比较优异的金属构件。自主研发了SLM成形设备，并研究了工艺参数对成形工件的打印质量影响，发现所用激光器的激光功率越大，成形的工件发生球化缺陷的概率越高；所用激光器的光斑需大于激光所扫描的间距，合金粉末才能全部熔化。
（2）国内外选区激光熔化设备研究
目前在国内外已经有不少成熟的选择性激光熔化设备的厂家，其中主要包括德国EOS公司（主要产品是EOSm280和EOSm290），英国雷尼绍公司（主要产品是AM系列），美国Phenixsystems公司等。虽然不同公司的选区激光熔化技术成形原理是一致的，但是由于每个公司的机型不同，组成设备的零件生产标准不一样，成形范围不同，导致不同公司生产的设备之间的工艺参数还是有所不同。下面介绍一个比较大的选区激光熔化设备生产商。
EOS在同类生产商中算较早开发选区激光熔化成形设备的生产商，生产的设备如EOSm290可以成形出性能优异、致密度高、表面质量高的金属构件，该设备具有国际领先水平。设备的主要零件激光发射器为Yb-fibre，该种激光发射器具有效能高、寿命长的特点。可以成形的最小壁厚是0.3-0.4mm。可以适应多种金属粉末材料的材料，主要打印的材料为铝合金、钛合金、不锈钢、钴铬合金[10-11]。
由于选区激光熔化技术具有很多不同于传统加工的有点，除了国外制造商生产研究相关设备外，国内的部分高校和一些科研院所也进行了相关设备的研发工作。目前，由于对选区激光熔化技术的深入研究，在很多方面比如成形构件的质量和精度、成形的工
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中北大学学位论文艺参数、SLM金属材料研发等方面都有了较大的提升。国内研究选区激光熔化技术的学校主要有西北工业大学、华中科技大学、华南理工大学、南京航空航天大学、中北大学等。每个学校研究的侧重点不同，各有优势。
比如华中科技大学快速制造中心是国内比较早选区激光熔化的科研中心，致力于研究选区激光熔化技术，并且取得了突破，该中心已经研发了两种不同型号的SLM设备
[12]。华南理工大学也研发了三种不同型号的SLM设备，其中2012年研发的SLM设备
Dimetal-100已经预商业化。
总的来说，国内的高校和一些科研机构随着研究的深入，对研发SLM设备也取得了很大的进步，但还需要不断的对诸如选区激光熔化成形过程、工艺参数、减小成形过程中的缺陷等方面做更细致深入的研究，使国内研发的SLM设备质量越来越高[13]。
（3）成形材料研究现状
成形材料的研发对SLM技术的发展是很重要的。它直接决定了成形工件的性能、质量和精度，直接影响着选区激光熔化的用途。
选区激光熔化工艺对于多种不同的金属粉末材料都有很好的适应性，国内外许多高校和科研院所对选区激光熔化的材料进行了深入研究[14]。目前主要用于SLM技术研究的材料包括预合金粉末材料(如316L不锈钢，Ti6Al4V合金、镍525合金等）、非铁纯金属材料(如钽、金、钛等）)以及金属基复合材料(如VAC-Co-Cu复合材料、Cu-CuSn-CuP复合材料等）。
目前，随着对选区激光熔化技术的深入研究，在设备的研发及SLM金属粉末开发等方面都取得了很大的进步，应用领域越来越广。但是由于这种技术还是有一些问题需要解决，所以未来选区激光熔化技术的发展需考虑一下几个方面[15]：
1)选区激光熔化设备进一步优化，使打印的构件精度更高、表面质量更好、性能更优异。降低设备价格和构件成形成本，使选区激光熔化技术应用更加广泛。
2）优化支撑添加的设计，减小零件内部产生的应力，从而减小乃至消除加工成形中所产生的工件周围翘曲变形、塌陷或球化等缺陷，提高工件的质量。
3）研发性能更优异、成本更低的SLM金属粉末材料，提高金属粉末材料的回收利用率，使得打印的构件精度更高，成本更低。
4）响应国家建设环境友好型社会的号召，研发的设备和采用的加工工艺应具有低
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中北大学学位论文能耗、低污染的特点，进一步适应市场的需求，拓展应用领域。
选区激光熔化技术代表了快速制造领域的发展方向，通过上述的几个问题的解决，选区激光熔化技术会发展的更好，应用领域更加广泛。1.1.4选区激光熔化技术的应用
选区激光熔化成形件的应用范围比较广，其中航空航天领域和生物医疗领域应用最为广泛。
（1）航空航天领域
选区激光熔化技术在航空航天领域有着不可比拟的优势。对于有些小批量复杂的航空航天零件，采用机加工不但费时，材料浪费严重，很可能制造不出这种零件；采用铸造工艺虽然确实可以制造出这种复杂零件，提高材料的利用率，不过对于某些航空材料来说，铸造的工艺技术比较复杂，制造的零件难以保证性能优异；采用锻造技术虽然可以提高零件的性能，不过需要昂贵的精密模具和大型专用设备，对于小批量的零件制造来说，成本太高。而采用选区激光熔化方法则可以方便的成形这些小批量复杂零件，在保证航空零件性能的同时降低了生产成本[16]。
由于选区激光熔化技术适用于生产小批量复杂航空航天零件，国外的大型航空企业如波音、洛克希德-马丁等委托国外知名高校或科研机构对SLM技术问题和应用进行大量研究。欧洲空客公司已经将SLM打印的金属零部件应用于A350客机上，这种零件重量更轻，更加坚固。在航天领域，美国的国家航空航天局（NASA）于2012年将SLM技术应用于航天发动机中复杂零件的制造中，并将在2017年“太空发射系统”飞行试验中使用由选区激光熔化技术制造的零部件[17-18]。
（2）生物医疗领域
钛合金因具有密度低、比强度高、机械性能好等优点，同时具有优异的耐腐蚀性[19]，极佳的生物相容性，被广泛应用于医学方面。由于选区激光熔化的技术特点，使得它在制备个性化医用植入件等方面具有显著的优势。目前选区激光熔化钛合金主要应用在生物医疗领域。
德国亚琛大学附属医院HollanderD.A.等研究了TC4粉末的SLM成型工艺，认为
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中北大学学位论文用钛合金SLM成形脊椎骨替代生物零件具有较好的生物相容性。
澳大利亚西澳大学ZhangL.C.等通过SLM技术制备了β型Ti-24Nb-4Zr-8Sn生物医用骸臼杯，无需进行任何后处理，致密度即可达到99%以上，各种力学性能足以与传统材料相媲美。
美国德克萨斯大学MurrL.E等人使用SLM成形技术制备了TC4合金生物医用植入体，获得了比传统铸锻TC4合金性能更加优异的零件，研究表明虽然SLM成形零件成本比数控机床加工要高，但是其粉末的回收以及选区制造基本消除了成本的差异。
美国密歇根大学LinC.Y.等通过SLM技术制备了TC4腰椎椎间融合器，测得其平均抗压模量为2.97±0.90GPa，与多孔钽的模量(3GPa)相当，在皮质骨(15GPa)和骨小梁(0.1-0.5GPa)之间。
日本京都大学FukudaA.等制备了SLM成形多孔钛植入体，并且研究了孔隙的大小对骨诱导和在骨诱导的作用下骨形成过程的影响，研究结果表明，孔隙为500μm和600μm时具有明显的诱导成骨作用。
首都医科大学邹道星等人利用SLM成型技术制备了钛合金个性化舌侧托槽，并与普通不锈钢托槽的粘接强度进行对比。研究结果表明，个性化舌侧托槽的剪切强度显著低于普通托槽的剪切强度，而它的拉伸强度显著高于普通托槽拉伸强度[20]。
华南理工大学杨永强等人使用华南理工大学自主研发的DiMetal系列SLM设备成形了TC4合金，粉末使用无接触电极气雾化制备，平均粒径为27μm。设计制造了颅骨修复体、手术模板、个性化牙冠、舌侧正畸托槽、全膝置换、股骨近端假体、股骨远端假体等医学用品。研究证明了DiMetal系列SLM成型设备适用于个性化医学用品的快速制造，为个性化医学用品的设计与制造提供了新的手段。1.2Al-Si合金的性能及应用
目前为止，铝合金是采用最多的轻金属合金材料，而在铝合金系中，铸造铝硅合金是应用最广泛的一种工业合金[21]。它具有优良的力学性能和铸造性能[22]。铝硅合金是现阶段研究应用最广泛的铸造铝合金，适用各种铸造方法，市场上的铝合金铸件绝大部分是铝硅合金[23]。
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中北大学学位论文AlSi10Mg合金经常用于直接铸造，属于传统的铸造铝硅合金，因为它接近Al-Si共晶成分，所以具有较好的焊接性[24]。由于AlSi10Mg合金含有镁元素，镁和硅元素会形成Mg2Si相，产生的相会在材料失效硬化中起作用。Al-Si合金作为产量及用量较大的铸造铝合金，具有耐磨耐侵蚀性好，热膨胀系数低，比强度高，导热性好等优点，这使得它在很多领域都得到应用，尤其是汽车领域应用最为广泛。汽车全身的很多零件都是由铝合金制造的，其中100%的活塞和75%汽缸盖都是使用铸造Al-Si合金材料。目前完全由铝合金制造的汽车甚至已经问世[25-27]。
目前在我国的机械制造行业里广泛使用Al-Si合金铸造合金，在制造车轮、滑轮、离心机、通风机、起重机及泵的零部件，活塞和发动机气缸等时起到重要作用。在国外，汽车上用的铝合金主要是铝铸件和压铸件，轧制钢的用量也较大，此外还有锻造成型的25kg，铝合金。因为铝属于轻金属，密度较小，所以汽车上每使用1kg铝就可降低自重2．轻量化效应高达125%[28]，并可减少废气排放。在国家建设环境友好型社会的大背景下，铝合金在汽车上的应用一定会越来越多。1.3Al-Si合金的研究现状
铝硅合金属于4系铝合金，是应用最多的铸造铝合金系列。因为铝硅合金中的Si（2.34g/cm3）元素相对密度较小，所以合金中由于Si元素的加入，降低了合金的比重，提高了合金的气密性，显著增加合金中Al元素的液态流动性，降低合金的熔点和原料成本。图1.2为Al-Si合金的二元相图，从图中可知，Al和Si的相互固溶度都很小。合金在冷却凝固过程中，能够以纯Si的形式被析出，从而提高合金的硬度以及耐磨性。在共晶温度时，Si在Al中的固溶度达到最大值1.65%，共晶反应温度是577℃，共晶点Si含量约为12.2wt%。此时会发生共晶反应：L→α+β，形成了Al-Si共晶体，其中L为液相，α是Al相，β是Si相，共晶Si相呈粗大的针状分布。过共晶Al-Si合金的金相组织主要由α-Al固溶体、Al-Si共晶体和不规则粗大块状初晶Si组成。铝硅系合金按照Si含量的不同可以分为：Si含量约为8-10wt%的亚共晶合金；Si含量约为11-13wt%的共晶合金；以及Si含量约为16-26wt%的过共晶合金三类。
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中北大学学位论文图1.2Al-Si合金二元相图铝硅合金的力学性能主要由合金中的Al、Si相含量和共晶Si在Al中的形貌、分布决定。由于在传统铸造铝硅合金过程中，凝固速度相对缓慢，在这过程合金中往往会生成大量的针状或者板状共晶Si，严重时甚至会产生粗大的块状初晶Si，这种组织会严重地割裂Al基体，铝硅合金的机械性能会下降。所以为了提高合金的力学性能，国内外学者做了大量的实验研究。目前为止，铝硅合金可以通过变质处理来抑制Si相的长大，起到晶粒细化的作用，从而提高合金的机械性能[29-31]。应用上变质处理是通过添加一定的变质剂来实现Si相的形态变化，改变Si的生长方式。常用的变质剂有Na、Sr、RE（稀土）等[32-33]。采用变质剂Na时，由于Na原子在Al基体中是不溶的，而会以薄膜状吸附在Si相表面，形成NaSi，影响了Si相在液相中的移动速度，而相应的Al相形核速度领先Si相，会将Si相包围，从而抑制了Si相的形核长大，起到了晶粒细化作用
[34]。而采用变质剂Sr时，与Na相比，它的加入量和加入温度不仅影响了Si相的共晶
组织，而且还对Si相的生产特征产生作用[35]。目前，研究人员尝试加入新的变质剂如Ba、Ca、Sb、Y来抑制铝硅合金中Si相的长大，达到细化晶粒，提高合金机械性能的作用[36-38]。
尽管通过加入金属元素与稀土元素对铸造铝硅合金进行变质处理可以起到抑制Si相的长大，从而达到晶粒细化，提高铸造合金力学性能的作用。然而，这些元素的加入一方面会提高铸造铝硅合金的生产成本，引起元素的的偏析，并且会污染环境、影响设备的正常工作，对合金的生产制造带来很大的弊端。另一方面，加入的Na、Sr等元素
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中北大学学位论文会影响Al、Si相的流动性，降低合金的致密性，进而影响合金的性能。因此，变质处理在提高铸造铝硅合金机械性能的同时也会导致新的问题出现，制约了其生产应用。1.4选区激光熔化AlSi10Mg合金的研究现状
目前国外对于选区激光熔化铝合金的工艺有一定的研究，其中德国在该领域中比较领先。德国EOS公司推出的EOSm290设备可以选区激光熔化成形性能优异、表面质量好、成形精度高的AlSi10Mg合金构件。选区激光熔化Al-Si-Mg系合金是目前研究最多的铝合金材料。其中对于选区激光熔化AlSi10Mg合金的研究主要有EADS的ErhardBrandl和比利时鲁汶大学的K.Kempen等。他们都研究了选区激光熔化工艺对于成形构件的影响，最终获得了致密度很高、精密度较高的（SLM）AlSi10Mg合金，并对成形件质量的影响因素做了研究，得到了重要结论[39-40]。
国内对铝硅合金选区激光熔化成形也有相关的研究。中国地质大学的王小军[41]针对Al-Si合金的选区激光熔化工艺参数和性能进行了研究。通过大量的实验研究确定了选区激光熔化Al-Si合金的最优工艺参数，并且在最优工艺参数下，制备了不同的Al-Si合金，对制备的合金性能进行大量研究，得出了重要的结论，最后对选区激光熔化过程中可能出现的缺陷进行研究分析。白培康等人认为选区激光熔化制造铝合金产生的结晶球化现象是因为铝合金对光的反射性较强造成的[42]。
综上可知，目前国内外对于选区激光熔化铝硅合金成形的研究取得了一定的进展。相对于选区激光熔化制造其他合金，制造质量优良的铝硅合金有如下问题：由于选区激光熔化铝硅合金自身容易被氧化，所以要注意不断通入惰性气体（如Ar）；相对于其他合金来说，铝硅合金的粉末密度较小，在选区激光熔化进行过程中，激光扫描容易使粉末飞扬，造成成形工件的致密度较低，影响工件的打印质量。1.5论文研究的目的和主要内容1.5.1研究目的
本文主要通过对选区激光熔化AlSi10Mg合金成形质量及对支撑添加的研究，掌握
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中北大学学位论文了合金模型的建立及支撑的添加处理，为以后AlSi10Mg合金的前期建模及利用magics做后续处理工作提供了便利。通过优化激光增材制造过程中工艺参数，获得了激光增材制造AlSi10Mg合金的最优参数，并利用此参数打印出所需构件。对比研究最优工艺参数下打印的AlSi10Mg合金构件与传统铸造AlSi10Mg合金的力学性能，研究热处理对选区激光熔化合金AlSi10Mg组织性能及形貌的影响，揭示了SLM成型件较铸件的优点及其发展前景，为AlSi10Mg合金的快速成型（3D打印）工业应用提供了一些依据和基础。
1.5.2研究内容
本文首先利用solidworks建模软件构建了弯管模型，并利用magics软件对模型添加支撑，接着分析研究了添加支撑的目的，支撑添加的考虑因素以及目前支撑的添加所遇到的问题和解决问题的方法。最后对选区激光熔化AlSi10Mg合金的成形、工艺参数及打印构件的性能进行了研究。
具体研究内容如下：
1)利用solidworks建模软件建立构件模型。利用magics修复软件对模型进行加支撑处理，并分析研究其支撑添加情况及弯曲程度等。研究了支撑添加对后期去除及构件质量的影响。
2)对加支撑后得到的模型进行切片处理，得到G代码，导入金属打印机EOS中进行打印。
3)对合金构件最终成形质量的影响因素进行研究，然后微调EOS设备的工艺参数，得到最优的工艺参数，打印所需构件。
4)对比最优参数打印的（SLM）AlSi10Mg合金构件与铸造AlSi10Mg合金的力学性能，得出结论。
5)对选区激光熔化AlSi10Mg合金试样进行热处理，通过比较几组试样的显微形貌、SEM形貌和硬度，得出热处理工艺对合金构件内部组织、成分和硬度的影响。
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中北大学学位论文第二章．实验材料、设备及实验方法
本章主要介绍了所用AlSi10Mg合金材料的基本性能、实验设备及方法和材料表征手段及方法。
2.1实验所用AlSi10Mg粉末的基本性能2.1.1实验所用AlSi10Mg粉末的化学元素组成
本文用的AlSi10Mg粉末合金购置于德国EOS公司，化学元素组成如表2.1所示，AlSi10Mg粉末合金中Al元素为基材，主要的合金元素是Si。
表2.1AlSi10Mg合金粉末的化学元素组成化学元素质量分数10.00.400.400.050.500.050.100.050.150.05其余SiMgMnCuFeNiZnSnTiPbAl2.1.2实验所用AlSi10Mg粉末的物理性能
选区激光熔化技术（SLM）是通过对激光选区内的金属粉末完全熔化、经散热冷却固化后成形出3D实体的一种技术，金属粉体的粒径、流动性、堆积密度等物理性能将对选择性激光熔化（SLM）成型零部件的致密度、微观形貌及力学性能等产生直接的影响。本文所用AlSi10Mg合金粉末的物理性能如表2.2所示。
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中北大学学位论文表2.2AlSi10Mg合金粉末的物理性能流动性（s/50g）27相对密度（g/cm3）1.6合金d10(μm)d50（μm）D90（μm）AlSi10Mg1740752.1.3实验所用AlSi10Mg粉末的显微形貌
本文所用AlSi10Mg合金粉体的SEM形貌如图2.1所示。由图可知，AlSi10Mg合金的显微形貌主要由大小不同的球状颗粒组成，细看局部可以看出，小颗粒被大颗粒包裹，发生团聚现象。
图2.1AlSi10Mg合金粉末SEM图2.1.4实验所用AlSi10Mg粉末的物相组成
本文对SLM成形所用AlSi10Mg合金粉末的物相组成进行了XRD分析，物相分析图谱如图2.2所示，由图可见，AlSi10Mg合金粉体的主要物相为Al和Si，其中（111）、（200）、（220）、（311）为Al相，（111）、（220）、（311）为Si相。
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中北大学学位论文图2.2AlSi10Mg合金粉末物相组成图2.2实验所用设备
本实验是采用北京卫星制造厂进口的德国EOS公司生产的激光设备完成，所用的设备EOSm290实物图如图2.3所示。
图2.3选区激光熔化EOSm290设备实物图EOSm290可以更快速灵活的成形出性能优异、致密度高、表面质量高的金属构件，该设备具有国际领先水平。设备的主要零件为激光发射器，由于激光器等因素会对增材制造成形构件质量产生影响，所以选用激光器时需要综合考虑激光类型、激光光斑以及激光光束质量等参数。考虑到AlSi10Mg合金是高反射材料，必须采用功率高的激光器，
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中北大学学位论文因此，本实验采用的激光发射器为Yb-fibre光纤激光器。该种激光发射器具有效能高、寿命长的特点，可以提供高性能、高质量的激光光源。北京卫星制造厂进口的EOSm290设备成形工作时通入的惰性保护气体为氩气，可以适应多种金属粉末材料的成形，主要打印的材料为铝合金、钛合金、不锈钢、钴铬合金。其主要参数见表2.3所示。
表2.3EOSM290技术参数最大成形尺寸：激光器发射型：光学系统：扫描速度：焦点直径：电源：功率：氮气发生装置：压缩空气支持：250mmx250mmx325mm镱光纤激光发射器，400WF-theta-lens；高速扫描仪最高速度7.0m/s100μm31A最大功率8.5kW/额定功率3.2kW标准7bar；20m³/h产品尺寸（宽x深x高）：系统：安装空间：重量：数据处理软件：CAD接口：网络：2,500mmx1,300mmx2,190mm最小4,800mmx3,600mmx2,900mm1,250kgEOSRPTools；EOSTATE；EOSPRINT；MaterialiseMagicsRPwithSG+andfurthermodulesSTL或其他可转换的格式以太网15
中北大学学位论文2.3组织分析方法2.3.1试样的制备
利用EOSm290设备制备弯管构件，具体步骤如下：
1.称量基板的重量并记录（基板是消耗品，每次用完以后重量会减轻）。2.切刀从左往右运动（归零）。
3.用吸尘器清理工作面的灰尘，拿纸巾蘸酒精擦拭底板。4.用钉子固定基板。
5.取下激光镜头周围的外壳，观察激光镜头，若上面附着粉尘，需用纸巾蘸酒精擦拭干净，直至镜头没有粉尘，之后左右旋转安装上外壳。
6.当工作平台温度大于35℃时，拧紧底板上固定的钉子。
7.调整工作平台，使之与四周保持水平。调整平台的高度，使之与切刀相距3.5mm。8.用小铲子将供粉仓的铝合金粉末铲匀实。9.当压强达到6MPa时，开启氩气阀门，通入氩气。
10.通入氩气20min，清洗过滤器（清洗过滤器中的粉尘，废弃的粉末进入回收箱，废弃的气体排放到外面）。
11.加送气槽，工作间通入氩气，直至氧含量低于0.1%。
12.阀门调整，氧气进入工作间，需重新通入氩气，重新使氧含量低于一定值。13.设备开始工作。
工作过程：先打基座，观察打印情况，适当调整送粉量。打完一层，工作平台下降0.03mm，切刀从左向右运动，运动到最右端时供粉仓上升0.03mm，切刀从右向左运动，均匀的铺一层0.03mm厚的粉末，然后继续进行打印，循环往复。
利用EOSM290设备打印出所需构件后，去除所添加的支撑结构，打磨喷丸处理后采用线切割机切下若干试样。
1)镶嵌
切割后的试样由于比较小，为了更方便的进行打磨金相和抛光处理，对试样进行镶嵌处理。具体镶嵌过程如下：对切割后的试样放入镶嵌机中，保持适当的压力并且将镶
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中北大学学位论文嵌机内温度升到100℃以上。镶嵌过程中必须保证镶嵌粉压紧样品，几分钟后镶嵌机开关关闭，待机内温度降低至室温时取出样品。
2）磨制试样
镶嵌后的试样件在砂纸上打磨，具有磨制样品步骤为：将所用砂纸放在平整的桌面上，试样先在目数较小的砂纸上打磨，边打磨边观察试样表面的磨痕，待磨痕方向基本一致时将样品旋转90°在目数较大的砂纸上继续打磨，观察试样表面没有明显的划痕时磨制结束。
3）抛光
试样打磨完成后进行抛光处理，清洗抛光布后将抛光布放入抛光机上，在抛光布上加入目数较小的水溶性抛光膏。将磨制后的试样表面轻轻压在抛光布上，待抛光一定时间后，观察试样表面，换目数较大的抛光膏，继续抛光直至表面基本没有划痕，光滑如镜。
4）清洗并烘干
抛光后的试样表面用酒精进行清洗处理，处理完后用吹风机烘干。5）腐蚀
腐蚀剂的使用因根据不同金属材料的各种组织性能确定，本实验采用的腐蚀剂为凯勒试剂，具体成分为95ml水、1.5mlHcl、2.5mlHNO3、1mlHF，腐蚀时间为15s，腐蚀后将试样表面放入酒精中清洗后吹干，进行金相的观察分析。2.3.2制备的样品分析方法
1)金相分析
试样表面经过处理后，对腐蚀后的合金光亮表面用光学显微镜进行观察，可以得到试样的显微组织形貌，分析研究形貌的得出结论。本实验所用的金相显微镜型号为conicxip-6A。
2)扫描电子显微镜分析(SEM)
试样经过热处理后，对未热处理的试样和热处理过的试样表面用扫描电镜进行观察，得到试样的微观组织形貌，分析研究后得出结论。本实验采用的仪器为JSM一
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中北大学学位论文5600LV，日立S-4800扫描电子显微镜。
3）洛氏硬度测试
本实验对成形（SLM）AlSi10Mg样品进行了硬度分析处理，采用的硬度测试仪器为洛氏硬度计测器，将洛氏硬度计的压头压入样品表面，样品表面先后承受初试验力和总试验力的作用，过一段时间后观察表盘大指针保持不动时，卸掉载荷，即可通过观察表盘的度数得知样品表面的洛氏硬度。
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中北大学学位论文第三章选区激光熔化AlSi10Mg合金构件成形研究
3.1引言
选区激光熔化过程中，支撑的合理添加对于成形后的构件是至关重要的。本章首先利用Solidworks建模软件构建了一种弯管模型，接着就添加支撑的目的、考虑的因素、遇到的问题及解决方法进行了研究。研究了支撑的三种结构设计参数和构件倾斜角对支撑添加、构件质量的影响。最后对选区激光熔化构件的成形和工艺参数做了研究。3.2合金构件模型的建立及支撑结构分析
模型的建立是选区激光熔化成形合金的第一步，本实验构建了弯管的模型，并采用北京卫星制造厂进口的德国EOS公司生产的激光设备完成金属3D打印。本实验利用Solidworks2012建模软件建立了弯管模型。构建的模型如图3.1所示
图3.1建立的弯管模型模型构建完成后，要对其进行加支撑处理，下面主要对模型的支撑结构进行分析研究。
3.2.1支撑添加的目的
在选区激光熔化工艺中，支撑的添加是很重要的部分，支撑添加的好坏直接影响到
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中北大学学位论文构件成形及构件的成形质量。支撑添加的主要目的为：
（1）固定连接了成形部分和未成形部分，减小了构件内部的残余应力，保持应力平衡。
由于选区激光熔化进行的过程中，当激光停留在金属粉体的某一点时，该区域由于吸收激光能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，当激光移动后，由于热源的消失，熔池温度迅速下降，这样构件便不可避免的会产生应力，直接导致构件边缘发生翘曲现象。样品的边缘翘曲会直接影响下一层粉末的铺设过程。因为当铺设下一层刮刀经过翘曲部分时会与它发生碰撞，如果构件没有支撑，该部分会随着刮刀移动，直接影响选区激光熔化的进行。
（2）传递构件中的热量，连接上下两个粉末层，防止热量太过于集中在熔池，激光扫描到过厚的金属粉末层，导致发生下垂塌陷，影响加工进程。
（3）添加支撑使构件与加工基板固定。一方面是对于有些结构的构件，前一层起不到支撑的作用，为了防止加工过程中刮刀将其带走，需要添加支撑使构件与加工基板连接。另一方面是在选区激光熔化完成后，需要采用线切割将构件与加工基板分离，为了不破坏零件底部，需要适当添加支撑使构件与基板连接。3.2.2模型摆放对支撑添加的影响
对于同一个构件，模型摆放的角度不同直接影响支撑的添加。所以在进行支撑添加前，需要考虑如何摆放模型，使得选区激光熔化过程可以正常进行，打印后的支撑易于去除，不影响成形后构件的表面质量。下面举例来说明模型摆放对添加支撑的影响。如图3.2（a）（b）（c）为某种手机外壳的模型摆放。
abc
图3.2某种手机外壳模型摆放(a)水平方向(b)垂直方向(c)侧面20
中北大学学位论文将面积小的表面设为底面的方式(图3.2b.c),虽然这两种方式支撑添加量比较小，有利于节省加工所用的材料，但是这两种模型摆放方式会使得后期处理支撑比较难进行，因为这两个加工方向会在构件的内部生产支撑，不利于去除支撑。此外，虽然（图3.2b）采用的模型与底面接触面积最小，不过由于z轴尺寸最大，成形时间也最长。图3.2a为水平摆放，手机外壳采用此种摆放方式。不过水平方式也有两个选择，一种是前盖的内部为底面（如图3.3a所示），另一种是前盖的外部为底面（如图3.3b所示）
a
b
图3.3两种手机外壳水平摆放(a)底部为前盖内部（b）底部为前盖外部两种摆放方式显然都需要较多的底部支撑添加，不过内部作为底面的话，去除支撑比较麻烦，而且影响零件的表面质量，所用选择前盖外部（图3.3b）为底面。
此外，模型的摆放还需要与刮刀成一定的角度（一般是与X轴呈45度夹角）。因为这样的摆放有利于刮刀正常的铺粉，减小刮刀与零件接触面积和刮刀的磨损。3.2.3支撑的类型和支撑添加的考虑因素
支撑添加采用的软件为magics15.0，它可以自动生成支撑和后期支撑手动修改、增加、删除。支撑结构类型有：点支撑、线支撑、块状支撑、方格支撑、平面多孔支撑和网状支撑，其中前三个较为常用。
点支撑：点支撑是比较常用的支撑结构类型，用于支撑面积较小的构件，支撑与构件以点接触的形式连接，点支撑的大小可以设置，如图3.4(a)所示。点支撑与构件接触面小，易于去除。
线支撑：线支撑可以在一条线上加支撑，是由主线和交叉线构成的，用于支撑下表面比较窄的构件，可以降低与构件的接触面积，不过不如点支撑容易去除，而且比点支撑浪费材料。
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中北大学学位论文块状支撑：块状支撑如图3.4(b)所示。块状支撑用于支撑较大表面，可以通过调节交叉线齿的参数来控制与成形构件的接触面积。
平面多孔支撑：平面多孔支撑如图3.4(c)所示。图中的支撑有菱形空隙，这种镂空结构最大的优点是减小了打印支撑消耗的材料，通过调节上方齿的大小改变接触面积，使得支撑易于去除。
方格支撑：方格支撑的方格密度大小可以改变，可以承受较强的拉应力，所以主要用于选区激光熔化中。方格支撑的2D俯视图如图3.4(d)所示，实际打印的方格支撑如图3.4（e）所示。
a
b
c
d
e
图3.4各类型支撑示意图a)点支撑b)块状支撑c)平面多孔支撑d)方格支撑2D图e)方格支撑实例支撑是根据系统设置的参数来进行添加的，用户可以对这些参数进行更改，来获得不同效果的支撑结构，参数的更改在支撑参数对话框中进行。如图3.5所示
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中北大学学位论文图3.5支撑结构参数修改对话框根据相关的选区激光熔化实验，得到了支撑添加的考虑因素，主要包括：（1）添加的支撑结构应有利于去除
成形的构件需要进行后处理，这就要求添加的支撑在保证强度的同时需易于去除，并且去除过程中不会对成形构件表面质量和尺寸精度产生影响。但是对于某些复杂的成形构件来说，支撑去除的同时会不可避免的破坏构件的表面精度，影响构件的形状。因此，我们需要找到一种解决方法，使得在保证成形构件打印过程稳定性的同时还可以降低去除支撑的难度。
目前有两种方法可以降低复杂构件去除支撑难度。第一，在保证构件打印稳定性的同时，尽量减小支撑与构件的齿形接触面积；第二，支撑下部直接与成形基板接触，避免与成形构件接触，本文弯管的添加支撑方法即采用此方法（如图3.6所示）。通过改变弯管支撑的倾斜角，使弯管下部不与弯管底座直接接触，降低了后处理支撑的难度，而且就算支撑结构打印过程中本身出现缺陷时，也不会影响成形零件的加工过程和质量。
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中北大学学位论文图3.6弯管的支撑结构与成形件接触的支撑不能太粗，强度不能太大，要利于后续支撑的去除。支撑中间部分要有足够的强度以防止支撑自身变形，在强度足够的前提下要尽可能地减少材料的损耗，也有利于后续支撑的去除。
（2）添加的支撑结构应防止成形构件发生翘曲或者塌陷等缺陷
选区激光熔化的成形构件易发生翘曲或者塌陷，通过合理添加支撑可以防止这种现象发生。
一方面，添加的支撑与构件的接触面积要合理，支撑数量要足够。支撑添加数量的多少及与构件的接触面积大小直接影响构件的成形质量，通过合理的添加支撑结构，可以有效的连接成形部分和未成形部分，保证了成形构件的稳定性和成形质量。对于不同形状的构件需添加不同类型不同数量的支撑以满足成形要求，比如对于底面积较大的构件，需要添加方块支撑或柱状支撑结构。而对于底面积较小的构件如杆类零件等，虽然与基板接触面积小，但是Z轴方向比较长，也就是说加工过程中刮刀与零件接触时间长，影响零件的稳定性和成形质量，通过添加足够强度的支撑可以保证成形的顺利进行。
另一方面，添加的支撑应能够起到热传导作用，减小构件的内应力。合理的添加支撑有助于成形工件的热传导，减小应力。比如本实验采用的方格支撑，通过改变方格支撑的密度大小改变了支撑与构件的接触面积大小。选择适当的方格大小可以有效的进行热传导。而对于有些复杂构件则需要多种类型支撑共同添加来满足良好的热传导，减小
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中北大学学位论文成形过程中的缺陷。不过对于这些复杂构件来说，支撑的去除比较麻烦，而且去除支撑后的表面比较粗糙，有很多的孔隙和凹坑，使得成形金属构件致密度低，表面质量差。
（3）添加的支撑结构应具有足够的强度，避免成形构件被刮刀带走
支撑的添加需保证足够的强度，以保证选区激光熔化成形构件的过程中构件的稳定性，避免被刮刀带走。前面提到零件的摆放需要与刮刀成一定的角度（一般是与X轴呈45度夹角），支撑的摆放也是如此。比如块状支撑最好也与刮刀成一定角度，有利于刮刀的正常铺粉和成形的正常进行。对于和基板接触面积较大的复杂工件来说，需要优化支撑设计，提高支撑结构的强度以保证不受刮刀来回的干扰，保证零件顺利成形。但是由于支撑强度比较高，去除支撑时只能依靠机加工，增加了工作量，还可能造成工件表面粗糙，影响尺寸精度。
（4）添加的支撑结构应尽可能多的回收残留粉末
目前，选区激光熔化所用金属粉末的成本还比较高，所以回收再利用粉末显得尤为重要。某些构件的支撑可以在保证足够强度的同时设计为多孔结构，如图3.7（b）所示。这种设计不仅减小了打印支撑所需的粉末，而且成形结束后可以基本移除支撑上的粉末，后期支撑的处理也较方便。支撑还可以设计为齿形支撑，如图3.8所示。这种结构设计支撑与构件接触面积小，成形结束后粉末容易回收再利用，而且去除支撑容易。
此外，支撑的添加要充分考虑成形构件个体差异，不同的构件需采用不同的添加支撑方法，不能一概而论。
支撑结构种类的灵活选取和参数的选择对最终零件的加工成形具有重要意义，优秀的支撑设计不但可以减少加工时间和材料浪费，还能节约生产成本，方便后期支撑结构的去除，如果支撑设计不合理，导致后期局部支撑无法去除就会导致零件加工报废，这是一个长期积累的过程，包括软件的熟练操作和对零件的特征的把握程度，与工艺参数的选取共同影响着零件的成功成形。
3.2.4支撑的结构设计和成形构件临界倾角的研究
支撑的结构设计对于后期支撑的去除和成形构件的表面质量是至关重要的，下面介绍三种支撑的结构设计。一种是根据需求设计多孔结构的支撑，如图3.7（a.b）所示。
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中北大学学位论文这种设计一方面可以减少支撑的用量，节约材料。另一方面由于其体积分数较小，所以后期支撑的去除比较方便。
a
b
图3.7设计的菱形多孔结构支撑(a)传统的结构支撑(b)多孔结构支撑一种是齿形的设计。齿形的设计如图3.8所示。通过改变参数的数值，可以改变支撑齿形的几个参数。这几个参数分别是齿宽、齿高、齿间距和齿底宽，如图3.9所示。根据成形构件的不同，可以灵活改变齿形参数，对于支撑的后处理具有重要的意义。
比如对于形状比较小的构件，因为支撑体积比较小，精密零件的细节多且细小，所以可以减小齿间距，减小齿宽，从而使齿形比较密集，支撑和构件接触面积减小，有效的满足了精密构件的选区激光熔化成形，保护了构件的更多细节。对于形状较大，精度要求不是很高的构件，可以适当的增大齿间距，增大齿宽，从而使齿形比较稀疏，接触面积变大，但能有效的起到支撑的作用。
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中北大学学位论文图3.8齿形支撑的设计图3.9齿形支撑的重要参数由图3.9可以发现，齿间距越短，齿宽越长，齿形分布越密集，增大了支撑与构件的接触面积，提高成形构件过程中的稳定性，而且与成形构件的接触面越长，支撑结构的强度会增强，提高了构件打印时的稳定性，但是会造成后期支撑去除难度增大，甚至某些复杂零件的内部难以去除。而齿间距越长，齿宽越短，齿形分布会比较稀疏，而且与成形构件的接触面较短，虽然这种支撑结构有利于后期的处理，但是不利于成形构件打印的进行。因为支撑的强度变小，所以在选区激光熔化过程中构件可能会出现翘曲、塌陷甚至随刮刀移动的情况，随着选区激光熔化成形的进行，刮刀始终与边缘翘曲部分发生摩擦，严重时甚至可能使构件脱离基板，导致SLM成形的失败。
一种是方形支撑的结构设计。在选区激光熔化中，最常用的支撑结构是方形支撑，具体实物如图3.4（e）所示。它主要由有轮廓线和填充区域组成。这种支撑结构的参数
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中北大学学位论文主要有三种，轮廓层厚度d、填充线的宽度h和齿形参数。填充线的宽度h直接决定了方形支撑方格的大小。h较小时，方形支撑方格较小，分布密集，与成形构件接触面积大。h较大时，方形支撑方格较大，分布稀疏，与成形构件接触面积小。参数的设计需要考虑具体成形构件的形状和复杂程度。方格支撑如图3.10所示。
图3.10方格支撑示意图通过研究和实际SLM成形可以发现，30°为成形构件的临界倾角（倾角为成形构件与成形基板的夹角）。一般情况下，倾角越大，越不需要支撑的添加就可以得到成形效果较好的构件，而小于30°时必须添加支撑，以免发生零件成形质量不好甚至成形失败。因此支撑的添加主要针对倾角小于30°或者完全悬垂的特殊构件。
选区激光熔化成形某些复杂金属构件时，由于成形后的支撑不易去除，为了保证成形构件表面质量，主要考虑利用支撑辅助或者无支撑来成形。但是对于倾角较低的构件来说，必须添加支撑成形，来保证选区激光熔化过程的正常进行。但是对于这些复杂零件来说，去除支撑是非常耗时耗力的，有的地方去除不干净还得依靠后期处理来解决，表面质量难以保证。所以在对低倾角的复杂金属构件添加支撑时，要根据该构件的材料、形状和相关工艺参数来尽可能少添加支撑结构。
对于某些悬垂构件来说，倾角直接决定了所加支撑的数量和后期去除支撑的难度。倾角越小，需添加的支撑数量就越多，后期去除支撑的难度越大。一般情况下，选区激光熔化成形构件的成形方向直接决定了所需添加支撑的倾角。3.2.5添加支撑时遇到的问题及未来解决方法
支撑结构是复杂特征零件SLM成形的基础，起到传热和固定零件的作用，因此支
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中北大学学位论文撑结构设计与优化研究也变得越来越重要。随着零件结构设计的不断自由化，创新设计成为主流，这就造成当下的支撑结构不能满足复杂零件对支撑设计的需求，主要表现在：
（1）成形构件模型建好后，虽然利用magics软件可以直接自动生成支撑结构。对于一些形状比较简单的构件来说，一般不需要手动再添加删除生成的支撑。但是对于一些复杂的构件而言，自动生成支撑后，还需手动修改支撑，比较费时费力，只能依靠设计人员的经验。
（2）虽然前面提到对于不同形状、尺寸的构件所选用的支撑强度时不同的，但是强度的大小没有一个标准，同样只能依靠前期实验经验来总结。
（3）对于某些特殊结构的零件而言，某些区域不添加支撑，便会导致该区域成形不完整，但是手动添加支撑会导致支撑与零件的某一部分相互影响，进而影响成形构件的表面质量。
（4）选区激光熔化成形后，构件表面的支撑结构必须去除。但是对于某些强度高，接触面积大的支撑而言，去除支撑比较困难，而且去除后会对构件表面造成影响。目前去除支撑依然依靠的是工作人员的经验，没有一套详细的标准作参考。
选区激光熔化成形构件过程中必须添加支撑，而打印支撑浪费了粉末材料，而且后期不容易去除。针对上述添加支撑时遇到的问题，未来的解决方法主要有：
（1）对于不同类型的零件制定一套不同的支撑设计和添加支撑的方法，减少添加支撑的时间。
（2）现阶段支撑的强度没办法表征，未来可以通过ANSYS或其他仿真软件进行强度大小的模拟分析，制定零件所用支撑强度大小的标准。
（3）尽可能降低支撑的用量，目前利用多孔等结构设计，使打印支撑所消耗的粉末减少，未来可以设计更多的支撑结构，使支撑更加轻量化。
（4）虽然目前选区激光熔化成形构件必须依靠支撑的添加，而支撑本身就是一种浪费，未来可以研究无支撑或者自支撑的成形，从而使选区激光熔化技术打印工件更加快捷，应用更加广泛。
支撑结构种类的灵活选取和参数的选择对最终零件的加工成形具有重要意义，优秀的支撑设计不但可以减少加工时间和材料浪费，还能节约生产成本，方便后期支撑结构的去除，如果支撑设计不合理，导致后期局部支撑无法去除就会导致零件加工报废，这
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中北大学学位论文是一个长期积累的过程，包括软件的熟练操作、对零件特征的把握程度、工艺参数的选取共同影响着零件的成功成形。3.3合金构件的成形及工艺参数研究
支撑添加完成后，对加支撑后得到的弯管模型进行切片处理，得到G代码，导入金属打印机EOS中进行选区激光熔化成形。
选区激光熔化技术是基于离散堆积原理成形的，在对模型进行切片处理，三维数据模型切片后会生成二维数据，其中切片层厚h直接影响构件的成形。h越小，选区激光熔化成形件的表面质量越好，失真越小，构件的特征属性信息表达的越完善，即台阶效应对成形构件影响越不明显。
通过打印弯管实物可知，台阶效应对于选区激光熔化成形弯管的曲面结构影响较大，直接影响成形构件曲面的表面质量。通过研究可知，台阶效应与成形构件的倾角和切片层厚有关。弯管的切片层厚越大，倾角越低，那么台阶效应就越明显，打印的弯管表面质量越差。而构件的倾角是一定的，这就需要尽可能的减小切片的层厚。对于选区激光熔化而言，一般层厚范围是20-50μm，本实验弯管构件成形的层厚设置为30μm。此外，成形构件的工艺参数影响台阶效应，工艺参数的多少与熔池数据相关，而熔池的变化又会直接影响到成形构件的表面质量。
要想得到质量比较好的成形构件，除了应注意减小台阶效应的影响外，还应当注意选区激光熔化进行时前几层的打印情况。如果能够保证前几层打印时不发生翘曲或者塌陷变形，而且铺粉能够顺利进行，那么一般情况下就可以保证后面选区激光熔化的顺利进行，成形质量不会受影响。假如前几层产生了缺陷（如球化），那么最终成形构件的质量会受很大影响，成形件的致密度也会影响。
选区激光熔化成形构件过程中，成形构件的打印性能和质量好坏与工艺参数是密切相关的。因此，需要确定一个最优工艺参数。通过前期在北京卫星制造厂关于选区激光熔化AlSi10Mg合金的工艺参数实验，得到了最优工艺参数：激光能量：200W；激光扫描速度：200mm/s；激光扫描间距：0.15mm；激光停留时间：80μs；铺粉层厚：30μm。
在最优工艺参数下选区激光熔化得到了带支撑的弯管构件，如图3.11所示。接着对
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中北大学学位论文其进行后期去除支撑处理，打磨喷丸后改善了构件表面质量，得到如图3.12所示的最终成形弯管构件。
图3.11带支撑弯管构件图3.12去除支撑弯管构件3.4本章小结
本章主要研究了支撑添加的目的，构件的摆放对支撑添加的影响，支撑的类型和支撑添加的考虑因素：添加的支撑结构应有利于去除，第一，在保证构件打印稳定性的同时，尽量减小支撑与构件的齿形接触面积。第二，支撑下部直接与成形基板接触，避免与成形构件接触；添加的支撑结构应防止成形构件发生翘曲或者塌陷，一方面，添加的支撑与构件的接触面积要合理，支撑数量要足够。另一方面，添加的支撑应能够起到热传导作用，减小构件的内应力；添加的支撑结构应具有足够的强度，避免成形构件被刮刀带走；添加的支撑结构应尽可能多的回收残留粉末，减小材料成本。通过对支撑的结构设计和成形构件临界倾角的研究，得到了三种支撑的结构设计，并分析了支撑齿形的几个参数对成形构件质量和去除支撑结构的影响。选区激光熔化成形构件临界倾角为30°，小于30°必须添加支撑。分析了目前支撑的添加所遇到的问题和解决方法。最后分析研究了影响构件选区激光熔化成形的因素。通过前期的实验研究得到选区激光熔化AlSi10Mg合金最优的工艺参数为：激光能量：200W；激光扫描速度：200mm/s；激光
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中北大学学位论文扫描间距：0.15mm；激光停留时间：80μs；铺粉层厚：30μm。
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中北大学学位论文第四章选区激光熔化AlSi10Mg合金力学性能及热处理工艺研究
4.1引言
力学性能大小直接决定了制备合金的使用寿命，力学性能越高，制备合金的使用寿命越长。为了满足实际应用，必须对制备的合金进行力学性能分析和研究。而力学性能的表征主要用硬度、强度、韧性等参数。一般硬度越高，材料的耐磨性就越好。在选区激光熔化过程中，AlSi10Mg合金不可避免的会出现各种缺陷，而缺陷的存在直接影响材料的力学性能，这就需要我们对选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能进行研究，以便了解缺陷对合金组织性能的影响，为以后的加工合金提供准确的理论依据。另外，通过对选区激光熔化AlSi10Mg合金试样进行热处理，改变了它的强度和硬度，调整了合金内部组织的结构，使组织、成分更加的均匀。
本章主要分析研究了选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能，并对制备的选区激光熔化AlSi10Mg合金进行热处理，具体工艺为：在450℃温度条件下分别保温1h，2h、4h，然后将其放入水中进行水冷处理，并对热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金的的硬度、显微形貌的影响进行了研究，得出结论。4.2选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能
金属材料的力学性能是指在外力作用下，材料所表现出的抵抗变形或破坏的能力，是用一系列力学性能指标表征的，直接决定了制备合金的使用寿命。而合金的力学性能主要由合金内部的组织结构决定。传统铸造铝合金和选区激光熔化制造的铝合金由于制备工艺不同，造成合金内部结构不同，进而直接影响其力学性能。传统铸造和选区激光熔化制备AlSi10Mg合金时，AlSi10Mg合金不可避免的会出现如气孔、裂纹、残余应力等缺陷，而缺陷的存在直接影响材料的力学性能。为了得到致密度更高，缺陷更少的成形构件，需对选区激光熔化AlSi10Mg合金构件的力学性能进行深入分析研究。与传统铸造AlSi10Mg合金相比，选区激光熔化AlSi10Mg合金具有更加优异的力学性能。
通过拉伸处理最优工艺参数条件下制备的选区激光熔化AlSi10Mg合金构件试样，并对其进行力学性能分析测试，得到了几个重要的性能参数。图4.1为合金的成形试样
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中北大学学位论文及拉伸试样。表4.1为合金构件试样的力学性能参数。
a
b
图4.1(SLM)AlSi10Mg合金成形试样及拉伸试样a)成形试样b）拉伸试样表4.1（SLM）AlSi10Mg合金的力学性能（SLM）AlSi10Mg合金的力学性能抗拉强度屈服强度弹性模量断裂伸长率水平（XY）460MPa270MPa75GPa9%垂直（Z）460MPa240MPa70GPa6%与铸造AlSi10Mg合金相比，（SLM）AlSi10Mg合金的抗拉强度(460MPa)远远高于铸造AlSi10Mg合金（300MPa）；屈服强度（270MPa）也高于铸造AlSi10Mg合金（170MPa）；断裂伸长率也比铸造合金要高；弹性模量基本相同。可知，在最优工艺参数条件下，选区激光熔化成形的AlSi10Mg合金的力学性能比铸造AlSi10Mg合金的要好，强度和塑性都有明显的提高。这主要是由于成形工艺的不同造成的。选区激光熔化成形AlSi10Mg合金过程中会发生快速冷却过程，而冷却速度（103K/s）比铸造成形快的多，AlSi10Mg合金由高温熔融状态迅速变凝固态，合金组织中的Al、Si元素的扩
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中北大学学位论文散和晶粒的长大比较困难，从而得到了晶粒比较细小、组织分布比较均匀的结构。通过观察可知，铸造AlSi10Mg合金的显微形貌主要由粗大的针状或条状共晶Si和Al基体组成，而选区激光熔化AlSi10Mg合金的显微形貌则主要由纳米级的球状Si颗粒和岛状的Al基体组成。细小的晶粒会起到细晶强化的作用，导致（SLM）AlSi10Mg合金的力学性能较铸造合金优异。另外，分散在Al基体中的Si颗粒会形成固溶强化，也会相应的提高AlSi10Mg合金的力学性能。
4.3热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金硬度的影响
将选区激光熔化AlSi10Mg合金成形样品热处理后进行硬度测试，如图4.2所示为热处理工艺条件下激光选区激光熔化AlSi10Mg合金硬度随时间的变化规律图。
从图中可知，热处理前试样的洛氏硬度为74，随着热处理的进行，试样的硬度一直在降低，1h后逐渐趋于平稳。试样硬度下降主要是由于随着热处理的进行，选区激光熔化AlSi10Mg合金中的Si相逐渐从Al基体中析出，而Si在合金中起着固溶强化的作用，一旦Si相减少了，固溶强化会消失，该过程会导致合金中硬度较低的Al所占比例上升，从而使得热处理开始的一段时间（SLM）AlSi10Mg合金硬度下降比较迅速。热处理1h后，由于合金中Al基体和Si颗粒的晶粒长大，使得选区激光熔化AlSi10Mg合金硬度趋于平缓。
虽然热处理后选区激光熔化AlSi10Mg合金的硬度有了明显降低，但还是要高于铸造AlSi10Mg合金的硬度。其原因主要有两个：一是由于AlSi10Mg合金粉末在选区激光熔化进行的过程中，当激光照射到粉末的某一点时，该区域由于吸收激光能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，合金元素均匀分布；当激光移动后，由于热源的消失，熔池温度迅速下降，抑制了晶粒的长大，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高材料的强度和硬度。二是由于AlSi10Mg合金粉末在选区激光熔化成形过程中冷速度过快，使得AlSi10Mg合金中的Si相没有时间析出来，只能被Al基体过饱和的固溶。而随着固溶的进行，Si相越来越多，固溶强化效应越来越明显，合金的强度和硬度得到了大幅度提高。
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中北大学学位论文图4.2热处理后选区激光熔化AlSi10Mg合金硬度曲线4.4热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金形貌的影响
热处理工艺改变了选区激光熔化AlSi10Mg合金试样的硬度和合金内部的组织结构，为了探究热处理工艺对内部组织形貌的影响，对制备的合金试样进行金相显微观察和扫描电镜观察。图4.3为热处理前后选区激光熔化AlSi10Mg合金的金相显微形貌图。
a
b
10μmc
d
10μm10μm10μm图4.3不同热处理条件下的显微形貌a)未热处理；b)450℃，1h；c)450℃，2h；d)450℃，4h36
中北大学学位论文由图4.3的金相显微形貌（图中黑色斑点为Si,浅色的为Al基体）比较可知，随着热处理过程的进行，基体中黑色斑点一直在减小，说明Si相从基体中析出，并且观察可以知道黑色斑点Si相在基体中的分布比较均匀。分析可知主要是由于选区激光熔化过程中冷却速度太快，部分Si相来不及析出固溶在基体中。随着热处理过程的进行，选区激光熔化AlSi10Mg合金在2h时Si相基本从基体中析出，2h后主要发生的是Al基体和Si颗粒的晶粒长大及合金元素（Si、Mg）的重新分布。
合金试样经过热处理后，利用扫描电镜对未经热处理和热处理后的试样表面进行观察，得到了试样的微观组织形貌，分析研究后得出结论。图4.4为热处理前后选区激光熔化AlSi10Mg合金扫描电镜观察的微观形貌图。
a
b
cd
图4.4不同热处理条件下的SEM形貌图a)未热处理；b)450℃，1h；c)450℃，2h；d)450℃，4h从以上几组图像对比可以看出，选区激光熔化方式成形组织均匀致密，从图中白色斑点可以看出，有少量的微小气孔缺陷出现，分析造成的原因，孔隙缺陷是选区激光熔化AlSi10Mg合金的主要缺陷，因为冷却速率比较高，粉末颗粒之间存在的气体就会溶解在熔池中，凝固后仍留在其中，从而导致了这种缺陷。扫描速度也可能造成这样的气孔缺陷，随着扫描速度的增加，输入的激光能量会变低，单道熔覆线的宽度就会变窄，
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中北大学学位论文深度也会变浅，下一层熔覆线就很难覆盖前一层未熔化的部位，导致部分粉末没有熔化，从而造成这种气孔缺陷。扫描间距也会造成气孔缺陷的出现，在较大的扫描间距下会有较高的搭接率，成形质量较好，但是扫描速度过快时，熔池本身就会变得比较窄，这时如果扫描间距过大，就很有可能出现相邻熔覆线之间的搭接不够从而形成这种气孔缺陷，这样也会造成构件的致密度降低。4.5本章小结
本章主要对比研究了选区激光熔化AlSi10Mg合金和铸造AlSi10Mg合金的力学性能，并对制备的选区激光熔化AlSi10Mg合金进行热处理，分析研究了热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金的的硬度、显微形貌的影响。最后分析研究了合金构件中存在孔隙缺陷的原因。
结果表明，选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能要强于铸造AlSi10Mg合金，主要是由于选区激光熔化的快速冷却过程导致合金内晶粒比较细小，晶粒细化会使合金力学性能增强。随着热处理的进行，试样的硬度先减小后趋于平缓，但还是高于铸造AlSi10Mg合金的硬度，这是因为随着热处理的进行，Si相一直不停的析出，合金中硬度较低的Al基体所占比例变大，造成合金硬度减小。而后随着合金中Si颗粒由纳米级长大为微米级，Al基体晶粒的长大，合金硬度变的平缓，合金元素（Si、Mg）重新分布。通过对合金进行热处理，使得合金内部组织的结构和成分更加的均匀。合金中的孔隙缺陷主要是由于选区激光熔化过程中凝固速率快导致粉末颗粒之间存在的气体溶解在熔池中导致的。
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中北大学学位论文结论
铸造铝硅合金是应用最广泛的一种工业合金。它具有优良的力学性能和铸造性能。而其中Al-Si合金是现阶段研究应用最广泛的铸造铝合金，适用各种铸造方法。AlSi10Mg合金经常用于直接铸造，属于传统的铸造铝硅合金，因为它接近Al-Si共晶成分，所以具有较好的焊接性。但由于铸造AlSi10Mg合金在铸造过程中会形成比较多的缺陷，而且合金机械性能一般，生产周期较长。
针对传统铸造AlSi10Mg合金成形复杂形状零部件时出现的各种突出问题，本论文利用Solidworks建模软件建立了选区激光熔化AlSi10Mg合金构件。研究了支撑添加的目的，构件的摆放对支撑添加的影响，支撑的类型和支撑添加的考虑因素：1）添加的支撑结构应有利于去除；2）添加的支撑结构应防止成形构件发生翘曲或者塌陷；3）添加的支撑结构应具有足够的强度，避免成形构件被刮刀带走；4）添加的支撑结构应尽可能多的回收残留粉末，减小材料成本。通过对支撑的结构设计和成形构件临界倾角的研究，得到了三种支撑的结构设计，并分析了支撑齿形的几个参数对成形构件质量和去除支撑结构的影响。得到选区激光熔化成形构件临界倾角为30°，最后分析研究目前支撑的添加所遇到的问题和解决方法。
研究了影响选区激光熔化成形过程中构件质量的因素。通过实验研究得到选区激光熔化AlSi10Mg合金最优的工艺参数为：激光能量：200W；激光扫描速度：200mm/s；激光扫描间距：0.15mm；激光停留时间：80μs；铺粉层厚：30μm。
在最优参数条件下制备成形构件，通过对比抗拉强度、屈服强度、弹性模量、断裂伸长率等参数，得出选区激光熔化AlSi10Mg合金的力学性能优于铸造AlSi10Mg合金。
对最优工艺参数下得到的选区激光熔化AlSi10Mg合金试样进行热处理，分析研究了热处理工艺对选区激光熔化AlSi10Mg合金的的硬度、显微形貌和扫描电镜微观形貌的影响。结果表明，随着热处理的进行，试样的硬度先减小后趋于平缓，但还是高于铸造AlSi10Mg合金的硬度，合金的韧性提高。主要是由于热处理使得合金中的Si相不断析出，硬度较低的Al基体比例相对增多，合金硬度在热处理开始时迅速减小，而随着热处理的继续进行，Si相基本完全析出，合金中的Si颗粒和Al基体颗粒都变大，合金硬度变的平缓，合金元素重新分布。通过对合金进行热处理，合金内部的组织和成分变
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中北大学学位论文的均匀。分析试样表面微观形貌后得出，合金中的孔隙缺陷主要是由于选区激光熔化过程中凝固速率快导致粉末颗粒之间存在的气体溶解在熔池中导致的。
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