袁宏伟
贵州航天风华精密设备有限公司，贵州 贵阳，550009
摘要：镁合金因其密度小、比强度高等优点被广泛应用于汽车、航空航天等领域，是当今绿色制造的首选材料。激光选区熔化 (Selective laser melting, SLM)技术在制造性能优异、结构复杂的镁合金零部件方面有巨大的潜力。本文以ZK61高强镁合金为实验材料，研究了基板材质对ZK61成形性能的影响、SLM工艺参数对ZK61成形样致密度的影响、优化SLM参数成形样的组织和力学性能。结果表明：SLM成形ZK61镁合金对基板材质要求严格，须采用成分大致相同、润湿性好的基板。ZK61成形窗口窄，成形件相对致密度对SLM参数比较敏感，在最优参数下可成形出相对致密度高达99.3%的试样。在SLM成形快速冷却的作用下，ZK61合金中β'(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100 HV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
中图分类号： TG146；V19
Study on Process and Microstructure and Properties of ZK61 Alloy fabricated by Laser Selective Melting
Yuan Hongwei
(Guizhou Aerospace Fenghua precision equipment Co., Ltd,Guizhou Guiyang,550009)
Abstract: Magnesium alloy has been widely used in automotive, aerospace and other fields due to its low density and high specific strength, and is the preferred material for green manufacturing. Selective Laser melting (SLM) has great potential in fabricating magnesium alloy parts with excellent performance and complex structure. In this paper, ZK61 high strength magnesium alloy was used as experimental material to study the influence of substrate material on the fabricating performance of ZK61, the influence of SLM process parameters on the density of ZK61. Microstructure and mechanical properties of ZK61 fabricated by SLM with optimization parameters were analyzed. The results indicated that SLM forming ZK61 alloy has strict requirements on the substrate, and substrate with roughly the same composition and good wettability was required. The SLM forming window of ZK61 was narrow, and the relative density of the forming part was sensitive to SLM parameters. Under the optimal parameters, specimens with the relative density up to 99.3% can be formed. Due to rapid cooling, the conventional β(MgZn) phase was replaced by β'(Mg0.97Zn0.03) phase in SLM ZK61 alloy, and the grain size of SLM ZK61 alloy was only 1/25 of that of the cast ZK61. The hardness of ZK61 alloy fabricated by SLM was about 100 HV, which was about 40% higher than that of casting ZK61. Due to the restriction of hole defects, there was a gap between the compression properties of SLM ZK61 alloy and that of rolling ZK61.
Key words: selective laser melting ZK61 process optimization microstructure and properties
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(Selective laser melting, 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52.9 μm。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。
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Fig. 2 HK M300 equipment
2.2.2 SLM成形ZK61基板材质选用研究
按照HK M300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10 mm×10 mm×10 mm块体成形。具体的工艺参数为：扫描间距70 μm，铺粉厚度40 μm，基板预热80 °C，氧含量500 ppm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。
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Fig. 3 as-SLM ZK61 alloy. (a) specimens; (b) part
2.3.1 显微组织与相分析
成形的块体经镶嵌、打磨、抛光至表面无划痕，采用4%体积分数的硝酸酒精溶液腐蚀5-15 s后，采用Quanta 650 FEG型场发射扫描电镜（FEI-SEM）进行显微组织观察。成形块体经打磨抛光至表面无划痕，采用日本岛津公司生产的XRD 7000S型X射线衍射仪进行物相分析，扫描角度30 ° - 90°，扫描速度10°/min，靶材为铜靶，扫描步距0.01°。
2.3.2 力学性能表征
硬度测试采用美国威尔逊公司生产的430 SVD型维氏硬度计，试样经打磨抛光后平放在载物台上，施压载荷1.0 kgf，加载时间10 s。每个试样同一个面上不同区域内取5个不同点，取5次测量的平均值作为该试样的最终测量硬度值。
压缩性能测试采用德国Zwick-Roell Z020型电子万能材料试验机。压缩样为Φ 4 mm×5 mm圆柱试样，压缩速率设定0.3 mm/min，直至试样压断，停止加压。相同参数测试3个试样，结果取平均值，压断后的试样密封干燥保存，断口形貌采用Quanta 650 FEG型场发射扫描电镜（FEI-SEM）观察，并分析断裂机制。
3 实验结果与讨论
3.1 基板材质对ZK61成形性的影响
激光功率范围在80 w-140 w，激光扫描速度范围100 mm/s-500 mm/s，在该窗口内选择316L不锈钢、AlSi10Mg铝合金和ZK61镁合金3种材质的基板进行块体成形实验来研究基板材质对ZK61镁合金成形性的影响，不同基板条件下的ZK61块体成形结果见下图4。选用316L不锈钢基板成形ZK61镁合金时，每当激光扫过镁合金粉末，该成形区域粉末瞬间熔化产生剧烈飞溅，大颗粒的液滴落在周围基板上，凝固成黑色小球，加工至10层左右，块体Z方向高度基本不增加，发现不可成形。采用AlSi10Mg铝合金基板时，飞溅现象明显减少，激光扫过第一层时，液态金属完整与基板结合，成形面表面呈暗黑色，继续加工，随着块体Z方向增加到1mm左右，上表面逐渐变得不平整，出现微小的凹坑，随着打印的继续，已成形方块开始出现翘边现象，并且翘边现象越来越严重，逐渐向块体中心扩展，最后9个参数的块体不同程度均出现了翘曲现象，甚至脱落，最终加工不得不停止，证明铝合金虽然在最初阶段能够作为SLM成形ZK61镁合金的基质，但不久就会由于应力翘曲现象导致加工终止。最后采用成分和粉末材料一致的ZK61镁合金作为成形基板，随着激光一层层扫描，块体顺利沿Z方向层层叠加，最终顺利成形出导入计算机模型的10 mm高的块体试样。
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图4 不同材质基板SLM成形ZK61。（a）316L基板；（b）AlSi10Mg基板；（c）ZK61基板
Fig. 4 as-SLM ZK61 alloy under different material substrates. (a)316L substrate; (b) AlSi10Mg substrate; (c) ZK61 substrate
316L不锈钢基板不适于成形镁合金的原因主要分为下述三方面：第一方面镁与铁的熔点差异较大，镁合金粉末熔点只有650 °C而钢的熔点在1538 °C附近，当SLM成形过程中输入的激光能量密度适中时，ZK61镁合金可以充分熔化形成液态金属，但瞬间温度可能不足以使不锈钢基板重熔，从而致使液态ZK61镁金属在316L基板上无法顺利铺展。第二方面镁与铁不发生化学反应，也难以形成固溶体，冶金相容性差，在平衡凝固状态下，两者无法形成冶金结合[10]。第三方面镁的线膨胀系数约为钢的两倍，过大的线膨胀差异导致结合部位残余应力较大可能会引起316L基板与ZK61熔合过渡区的变形，影响后续加工的进行。熔点同ZK61镁合金接近的AlSi10Mg基板仍不适合成形ZK61镁合金的原因主要是：在激光扫描过程中，AlSi10Mg基板和镁合金粉末界面处会发生共晶反应，形成β(Mg2Al3)和γ(Mg17Al12)两种金属间化合物，β和γ相通常是金属脆相，使得基板同ZK61镁合金结合去的组织性能变差，在内部残余应力作用下很容易导致成形面开裂和翘曲现象，使得已成形的金属层局部脱落[11]。
激光选区熔化成形技术是通过能量将金属粉末熔化成液体，使其与已凝固的固态基体层层焊合叠加在一起，从而制造出三维实体零部件。打印的初始时期保证待加工的金属材料与基板有良好的结合效果至关重要。为保证基板和待加工的金属材料有良好的结合性，就必须保证两者有较好的润湿性及较为接近的物理性能，同时两种材料不能形成有害的脆性相。
3.2 激光参数对ZK61成形质量的影响
对激光功率依次为50 w、60 w、70 w、80 w，扫描速度依次为 100 mm/s、200 mm/s、300 mm/s、400 mm/s一共16个SLM成形的ZK61镁合金块体的相对致密度进行了比较分析。相对致密度可以从整体上反映SLM成形ZK61镁合金块体的质量，相对致密度越高，说明内部致密化程度越高，存在的孔隙、裂纹等缺陷越少，因而零件的质量和性能相对较高[12]。如图5a所示，当扫描速度为100 mm/s和200 mm/s激光功率为50 w和 60 w时，成形的四个实体相对致密度均超过98.6%，其中60 w和100 mm/s的工艺参数下块体相对致密度达最大值99.3%。其他工艺参数下成形的块体的相对致密度均低于98.5%。激光能量密度过低或过高都严重制约着成形样的相对致密度。能量密度过低会导致大粒径粉末不能充分熔化；能量密度过高会造成粉末飞溅加剧。不同SLM工艺参数成形的ZK61镁合金块体光镜形貌如图5b所示，可以更清晰的看出相对致密度低于97%的块体空隙较多，相对致密度达到99%以上的块体中几乎没有明显空隙。通过分析不同参数成形ZK61镁合金块体的相对致密度与光镜图片，可以得出ZK61镁合金工艺窗口为：激光功率50 w-80 w，激光扫描速度100 mm/s-200 mm/s，扫描间距70 μm，铺粉厚度40 μm，基板预热80 °C，其中最优速度与功率搭配为激光功率60 w，激光扫描速度100 mm/s。ZK61镁合金的SLM成形工艺窗口较窄。
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图5 不同SLM工艺参数成形ZK61块体。（a）相对致密度；（b）光镜形貌
Fig. 5 ZK61 specimens manufactured by SLM under different process parameters. (a) relative density; (b) morphology
3.3 SLM成形ZK61镁合金的组织性能研究
选用优化后的工艺参数，成形出了相对致密度高达99.3%的ZK61镁合金展示件及试样。本部分针对SLM成形ZK61镁合金的微观组织及力学性能进行了较为全面的分析讨论，并与传统铸造轧制生产的ZK61镁合金做了对比。
3.3.1 微观组织分析
通过对ZK61原始粉末和优化工艺下SLM成形的镁合金块体进行X射线衍射分析得到图6a所示的图谱，由图可知，原始镁合金粉末由α(Mg)和β(MgZn)两相组成，而SLM制备的ZK61合金中β'(Mg0.97Zn0.03)代替了原来的β相，同时α(Mg)的衍射峰相对强度显著降低。参考Mg-Zn合金二元相图见图6b，平衡凝固条件下，在650 °C附近，α(Mg)固溶体开始从ZK61液态金属中结晶析出，随着温度的降低，初生α(Mg)含量逐渐增加，液相含量逐渐减少，直到约460 °C凝固结束，ZK61合金组织全部转变为单相α(Mg)固溶体，随着温度进一步降低至300 °C左右，Zn元素在α(Mg)中处于过饱和状态，过饱和的Zn元素以β(MgZn)相的形式从α(Mg)基体中析出，最终冷却至室温的合金由α(Mg)基体和β(MgZn)析出相组成。不同于传统的平衡凝固结晶，SLM冷却速率高达103-105 K/s，在极大的温度梯度和冷却速率条件下，液相金属在极短时间内无法按照平衡凝固条件完成溶质再分配，因此直接形成了更容易形核的β'(Mg0.97Zn0.03)固溶体。
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Fig. 7 Microstructure of ZK61 alloy. (a) as-cast; (b) as-SLM, top surface; (c) as-SLM, side surface
3.3.2 力学性能分析
本部分对比了SLM成形的ZK61镁合金块体与铸造的ZK61镁合金的维氏硬度，具体结果见下图8。ZK系列镁合金属于常用高强度镁合金，传统铸造ZK61镁合金硬度一般不超过70 HV[14]。SLM成形的ZK61镁合金块体水平面和侧面的硬度依次约为105 ± 9 HV和95 ± 8 HV，显著高于铸造态ZK61镁合金的硬度。SLM态的ZK61硬度高于铸造态的硬度，主要归因于晶粒的细化， SLM工艺制备的ZK61镁合金平均晶粒尺寸仅为铸造制备的ZK61的1/25。根据Hall—Petch公式易知硬度值与晶粒尺寸的平方根的倒数成正比例关系，相比于铸造态ZK61理论计算上SLM成形的ZK61硬度值的增量应为100 HV，实际硬度值仅增加了30 HV左右。这一方面是由于在SLM快冷快凝的加工条件下，ZK61镁合金组织中几乎没有β(MgZn)硬质相的生成，另一方面成形试样不完全致密化，因而显微硬度没有匹配理论值。总体来说SLM制备的ZK61镁合金硬度较铸造ZK61有显著的提升。
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Fig. 9 Compression curves of SLM and rolled ZK61 alloy
3.3.3 断口形貌分析
图10是SLM态和轧制态ZK61镁合金的压缩断口微观形貌。由图10a、b可知，轧制态ZK61镁合金断口存在大量河流状花样和解离面，呈现典型的脆性断裂特征。如图10c、 d，SLM态ZK61镁合金断口存在大量尺寸微小的韧窝，同时存在解离台阶，呈韧-脆混合断裂模式。从断口形貌上推断，SLM态ZK61镁合金应该具有更高的塑性，但实际测结果，SLM态ZK61镁合金较轧制态ZK61镁合金的压缩率低。图10e、f很好诠释了SLM态ZK61压缩性能明显低于轧制态的原因，在SLM态ZK61镁合金中存在一些大尺寸孔洞和未熔化粉末颗粒。当SLM态ZK61镁合金承受极端载荷时，裂纹极易在合金内部的孔洞和未熔粉末等缺陷处萌发并扩展，从而严重降低了ZK61合金的力学性能。
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图10 ZK61镁合金的压缩断口形貌。(a) (b)轧制态；(c) (d) (e) (f)SLM态
Fig. 10 compression fracture morphology of ZK61 alloy. (a) (b) rolling state; (c) (d) (e) (f) SLM state
4结论
本文主要对ZK61镁合金SLM成形的基板选择、工艺参数优化，SLM成形出的ZK61镁合金微观组织、力学性能进行了分析研究，具体结论如下：
SLM成形ZK61镁合金对基板材质要求严格，必须采用成分大致相同，良好润湿的基板，才能保障实体零件完整成形。
ZK61镁合金对SLM参数敏感，SLM成形窗口窄，ZK61镁合金工艺窗口为：激光功率50 w-80 w，激光扫描速度100 mm/s-200 mm/s，扫描间距70 μm，铺粉厚度40 μm，基板预热80 °C。
SLM成形ZK61合金由α(Mg)基体和β'(Mg0.97Zn0.03)第二相组成，晶粒尺寸仅为铸造ZK61镁合金的1/25。
在细晶强化作用下，SLM成形ZK61镁合金显微硬度为100 HV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。
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作者简介：袁宏伟，1972年9月出生，男，大学本科、工程硕士，职称高级工程师，主要从事铝镁合金技术、复合材料等方面的研究。