选择性激光熔化技术制备AlSi10Mg构件的温度演变与表面质量研究

《Journal of Materials Research and Technology》：An investigation into temperature evolution and surface quality of AlSi10Mg components fabricated via selective laser melting technology

　　

选择性激光熔化（SLM）技术在制造薄壁AlSi10Mg构件时对工艺参数表现出显著敏感性。然而，温度分布与残余应力的相互演变及其与熔池稳定性和表面缺陷出现之间的关联尚未得到定量阐明。这一认知空白阻碍了工程应用中最佳工艺参数的选择。为解决这些问题，研究人员建立了用于AlSi10Mg合金SLM加工的热-结构耦合有限元模型，实现了温度演变、熔池形态和应力分布的动态监测。该模型通过熔池尺寸和残余应力的实验数据进行了严格验证。利用该验证框架，系统分析了AlSi10Mg在SLM过程中的温度演变机制及其对工艺参数的依赖性。同时开展了补充实验，评估这些热响应如何影响表面质量。结果表明，增加激光功率会导致峰值温度升高、熔池尺寸增大以及熔池寿命延长。相反，更高的扫描速度和扫描间距会减小熔池尺寸和寿命。残余应力与激光功率、扫描速度和扫描间距呈正相关。此外，在再熔化过程中观察到应力释放退火现象，该现象随激光能量密度增大而变得更加显著。在本研究的实验框架和基于扫描电子显微镜（SEM）的表面质量评估标准内，获得最佳表面质量的工艺参数组合为：激光功率340 W、扫描速度1600 mm/s、扫描间距140 μm。该参数组合产生的成形轨迹平坦、连续且缺陷最少。本研究的结果为SLM中缺陷形成的热-力学耦合机制提供了定量见解，并为优化AlSi10Mg合金的工艺窗口和增强质量控制提供了实用指导。

**论文解读：基于热-结构耦合有限元模型的AlSi10Mg合金选择性激光熔化温度演变与表面质量研究**

**研究背景与问题**
选择性激光熔化（SLM）作为金属增材制造（AM）的关键技术，通过高能激光逐层熔化金属粉末并凝固成形，具有材料利用率高、生产周期短、冷却速率快等优势，能促进细晶组织形成从而提升力学性能。AlSi10Mg合金因其高比强度、优异弹性及良好加工性，在航空航天、汽车和生物医学领域广泛应用。然而，SLM过程涉及极端热梯度、熔池流动、蒸发与再凝固等复杂物理冶金现象，导致球化、飞溅、孔隙及严重残余应力积累，进而引发零件变形和结构完整性下降。尽管实验研究揭示了工艺参数对零件质量的影响，但温度分布与残余应力的相互演变及其与熔池稳定性和表面缺陷的定量关联尚未阐明，阻碍了工程应用中工艺参数的优化选择。因此，需建立一种稳健的三维多道多层SLM模型，整合工艺参数与热-力学行为，并将模拟结果与实验质量指标有效关联。

**研究内容与结论**
本研究在ANSYS 19.0中利用APDL语言开发了AlSi10Mg合金SLM加工的热-结构耦合有限元模型，并从熔池几何尺寸（温度场）和残余应力分布（应力场）两个维度进行验证，确保模型可靠。通过系统研究不同工艺参数下热场和应力场的演变，识别了代表性指标以阐明工艺条件对热行为的耦合效应，并开展补充实验探究工艺参数如何通过热机制影响表面质量。结果表明：激光功率增加使峰值温度升高、熔池尺寸增大、寿命延长；扫描速度和扫描间距增加则使熔池尺寸和寿命减小。残余应力与激光功率、扫描速度、扫描间距正相关，且再熔化过程中出现应力释放退火，随激光能量密度增大而增强。在实验框架内，基于SEM表面质量评估，最优参数组合为激光功率340 W、扫描速度1600 mm/s、扫描间距140 μm，获得平坦连续、缺陷最少的成形轨迹。该研究为SLM中缺陷形成的热-力学耦合机制提供了定量见解，并为AlSi10Mg合金工艺窗口优化和质量控制提供了实用指导。论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要技术方法**
研究人员采用ANSYS 19.0 APDL语言建立三维热-结构耦合有限元模型，使用高斯面热源，通过移动局部坐标系模拟激光扫描，采用生死单元法动态激活加工区域。模型从熔池尺寸和残余应力两方面进行实验校准：熔池宽度平均误差4.7%，深度误差0.5%；残余应力最大误差18.7%。实验使用FS273M SLM系统（华曙高科），材料为气雾化AlSi10Mg粉末（粒径20~63 μm，平均30 μm，纯度99.6%），在氩气保护下成形。工艺参数范围：激光功率280~370 W，扫描速度800~2000 mm/s，扫描间距80~140 μm。表征方法包括光学显微镜（OM）测量熔池尺寸、扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌、X射线衍射（XRD）测量残余应力。

**研究结果**

**3.1.1 激光功率**
通过模拟不同激光功率（280~370 W）下的温度场，发现峰值温度从1238.7 °C升至1481.2 °C（增加19.6%），温度梯度最大值从13.8 °C/μm增至17.4 °C/μm。熔池宽度从115.2 μm增至125.2 μm，深度从40.7 μm增至56.4 μm，寿命从92 μs延长至108 μs（增加17.3%）。

**3.1.2 扫描速度**
扫描速度从800 mm/s增至2000 mm/s时，峰值温度从1448.5 °C降至1339.4 °C（降低8.2%），温度梯度在2000 mm/s时从15.7 °C/μm骤降至7.2 °C/μm（降低54.1%）。熔池宽度从133.2 μm缩至87.6 μm，深度从51.3 μm缩至36.7 μm，寿命从175 μs锐减至50 μs（降低71.4%）。

**3.1.3 扫描间距**
扫描间距从80 μm增至140 μm，峰值温度从1408.2 °C降至1392.7 °C（降低1.1%），温度梯度从17.2 °C/μm略有下降。熔池宽度从125.2 μm缩至115.2 μm（降低8.0%），深度从53.4 μm缩至47.9 μm（降低10.3%），寿命从105 μs降至90 μs（降低14.3%）。

**3.1.4 工艺参数交互作用**
以峰值温度为响应指标，激光功率与扫描速度的交互作用对峰值温度影响最显著，而激光功率与扫描间距的交互作用中激光功率为主导因素，扫描速度与扫描间距的交互作用中扫描速度为主导因素。

**3.2.1 激光功率**
残余应力随激光功率增大而增加，最大残余应力从310 MPa升至343 MPa（增加10.6%）。von Mises等效应力从199.1 MPa增至279.1 MPa（增加40.2%），扫描方向应力σ_x从156.2 MPa增至244.6 MPa（增加56.4%），垂直方向应力σ_y从120.3 MPa增至151.5 MPa（增加25.1%），应力各向异性显著。

**3.2.2 扫描速度**
扫描速度从800 mm/s增至2000 mm/s，最大残余应力从308 MPa升至346 MPa（增加12.3%）。von Mises等效应力从178 MPa升至277 MPa（增加55.6%），σ_x从161 MPa升至289 MPa（增加79.5%），σ_y从85 MPa升至161 MPa（增加89.4%）。低扫描速度下再熔化引发退火效应更明显。

**3.2.3 扫描间距**
扫描间距从80 μm增至140 μm，最大残余应力从275 MPa升至340 MPa（增加23.6%）。von Mises等效应力从212 MPa升至264 MPa（增加24.5%），σ_x从139 MPa升至257 MPa（增加84.8%），σ_y从136 MPa升至147 MPa（增加8.1%），扫描间距对X方向热应力影响最显著。

**3.2.4 工艺参数交互作用**
以残余应力为指标，扫描速度与扫描间距的交互作用影响最大，扫描速度与扫描间距是控制残余应力的主要因素。

**3.3.1 激光功率**
SEM观察表明，280 W时出现未熔粉末和球化；310 W时熔道较光滑但有少量气孔；340 W时熔道平滑无球化无气孔，密度良好；370 W时出现飞溅和球化颗粒。340 W为最优。

**3.3.2 扫描速度**
800 mm/s时表面严重球化、烧焦和飞溅；1200 mm/s时熔道光滑，飞溅和孔隙少；1600 mm/s时表面光滑高密度，仅少量残留粉末；2000 mm/s时出现未熔粉末、开放孔和球化。1600 mm/s为最优。

**3.3.3 扫描间距**
100 μm和120 μm时出现飞溅和烧结颗粒；140 μm时熔池重叠良好，表面光滑，仅少量未熔粉末；160 μm时出现开放孔和不良结合。140 μm为最优。综合分析，最优参数组合为激光功率340 W、扫描速度1600 mm/s、扫描间距140 μm。

**讨论与结论**
讨论部分指出，工艺参数对熔池温度、寿命和残余应力的影响源于能量密度与热累积的相互作用。激光功率与扫描速度的交互作用主导峰值温度，而扫描速度与扫描间距的交互作用主导残余应力。表面质量与熔池稳定性直接相关，能量密度过低导致未熔和球化，过高导致飞溅和烧焦。本研究通过热-力学耦合机制定量解释了缺陷形成，并为工艺优化提供了依据。

**研究结论**（翻译如下）：
(1) 激光功率增加导致熔池峰值温度升高、液相持续时间延长、流动性增强，熔池尺寸逐步增大；扫描速度和扫描间距增加则使熔池尺寸逐渐减小。
(2) 零件残余应力随激光功率、扫描速度和扫描间距增加而升高，表面应力主要为拉伸应力。SLM过程中平行于激光扫描方向的热应力大于垂直于扫描方向的热应力，且观察到显著的应力释放退火效应，该效应随输入激光能量密度增大而增强。
(3) 关于工艺参数对零件热-力学特性的交互作用，激光功率与扫描速度的交互作用对熔池峰值温度影响最显著；而扫描速度与扫描间距的交互作用对零件残余应力影响最显著。
(4) 不同工艺参数下表面SEM图像分析表明，过高激光能量密度易导致烧焦和飞溅等表面缺陷，过低能量密度则导致粉末未熔、熔池润湿性差及球化现象。综合评估，AlSi10Mg合金SLM获得最佳表面质量的工艺参数组合为：激光功率340 W、扫描速度1600 mm/s、扫描间距140 μm。