顧冬冬，張晗，劉剛，楊碧琦

1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016 2. 上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240

微桁架夾芯板作為一種新型點陣多孔結(jié)構(gòu)，是由內(nèi)部周期排列的桁架結(jié)構(gòu)單元及外部兩層金屬薄板組成，具有高比強度、高比剛度的特點，其抗彎、抗沖擊、抗扭轉(zhuǎn)性能遠優(yōu)于同質(zhì)量實心金屬板。同時，微桁架夾芯板內(nèi)部大量空間既可用于功能設(shè)計，如減振、吸能、隔音、隔熱等，也可用于民用飛機貨倉隔板、客艙底板等部位實現(xiàn)減重，還可用于高超音速飛行器一體化減振隔熱防護等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。現(xiàn)有制備工藝如鑄造法、擠壓法、焊接法等在成形微桁架夾芯板等復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)領(lǐng)域存在較大難度，存在工藝周期長、制造精度差、難以一體化成形等局限性，限制了微桁架夾芯板結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用。選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)作為一類面向金屬構(gòu)件的增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)，可在計算機輔助設(shè)計下利用高能激光束逐層熔化凝固金屬粉末，進而成形任意復(fù)雜形狀的三維零件，可用于直接快速成形復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，為微桁架夾芯板結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造與一體化成形提供了新技術(shù)途徑[3-8]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對增材制造微桁架夾芯板的設(shè)計、制造與一體化成形進行了一定的前期研究。Li等[9]對面向增材制造的桁架點陣結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，設(shè)計了包括三棱錐、四角棱錐、六邊形棱錐在內(nèi)的多種胞元結(jié)構(gòu)，試驗表明增材制造成形微桁架夾芯板結(jié)構(gòu)具有良好的吸能作用與比剛度。Gangireddy等[10]研究了SLM成形Ti-6Al-4V八隅體桁架夾芯結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)峰值抗壓強度及能量吸收水平與單胞相對密度呈線性關(guān)系。郭怡東等[11]研究了增材制造鈦合金微桁架夾芯板低速沖擊響應(yīng)，針對面心立方(FCC)和體心立方(BCC)兩種夾芯結(jié)構(gòu)進行了成形與沖擊測試，發(fā)現(xiàn)沖擊能量主要由上層面與芯層吸收，整體結(jié)構(gòu)具有良好的吸能效果。上述研究表明基于增材制造技術(shù)進行微桁架夾芯板一體化成形具有較好的工藝、性能可控性及應(yīng)用前景。

從輕量化角度出發(fā)，鋁合金是增材制造微桁架夾芯板理想原材料之一。然而，當(dāng)前SLM成形鋁合金材料卻面臨一系列瓶頸難題。激光增材制造涉及高能激光束/金屬粉末瞬態(tài)作用下快速非平衡熔化/凝固過程，其液態(tài)熔池內(nèi)部瞬態(tài)冷卻速度高達106～107K/s[12]。極高的冷卻速率使凝固區(qū)間較寬的高強鋁合金(如Al-Cu 2xxx鋁合金、Al-Mg-Si 6xxx鋁合金及Al-Zn 7xxx鋁合金等)在SLM成形過程中由于固液共存狀態(tài)下液相無法及時填充凝固枝晶間隙而產(chǎn)生晶間熱裂紋[13-14]。因此，目前SLM成形鋁合金研究報道多集中于Al-Si 4xxx鑄造鋁合金，該合金由于凝固區(qū)間窄而具有良好的SLM成形工藝性。但Al-Si系合金強韌性有限，SLM成形Al-Si系合金抗拉強度一般低于400 MPa，延伸率在4%～6%左右，難以滿足航空航天等領(lǐng)域較高的力學(xué)性能需求[15]。

近年來，SLM成形稀土元素鈧(Sc)及鋯(Zr)微合金化改性Al-Mg合金在世界范圍內(nèi)引發(fā)了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。鈧元素可在凝固過程中與熔體鋁發(fā)生原位反應(yīng)，析出Al3Sc原位相。該金屬間化合物可作為形核劑顯著細化凝固組織，有效抑制晶間熱裂紋，使Al-Mg-Sc-Zr合金具有良好的SLM成形性。同時，基于適當(dāng)?shù)臅r效后處理工藝可在SLM成形Al-Mg-Sc-Zr構(gòu)件基體內(nèi)部原位析出大量彌散納米分布Al3(Sc,Zr)相，顯著釘扎位錯進而改善構(gòu)件力學(xué)性能[16]。目前研究報道SLM成形Al-Mg-Sc-Zr構(gòu)件抗拉強度可達520 MPa，延伸率在10%以上，同時兼具良好的耐蝕性能[17-22]。因此，SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金在微桁架夾芯板一體化成形領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，有望獲得兼具輕量化、高比強度及耐沖擊的微桁架夾芯板構(gòu)件。然而，目前國內(nèi)外圍繞SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的研究尚處于發(fā)展階段，尤其是針對其復(fù)雜構(gòu)件形性調(diào)控一體化成形相關(guān)研究尚不多見。

本文以稀土元素Sc、Zr微合金化Al-Mg合金為原材料，以微桁架夾芯板控形控性SLM一體化成形為研究目標(biāo)，系統(tǒng)研究不同激光參數(shù)下Al-Mg-Sc-Zr構(gòu)件表面質(zhì)量、孔隙率、顯微組織及性能演變規(guī)律，并針對航天微桁架夾芯板進行一體化成形驗證，進一步探討激光參數(shù)對構(gòu)件成形質(zhì)量、成形精度及桁架微桿成形精度的影響機制。

1 實驗設(shè)計

1.1 粉末原材料及選區(qū)激光熔化成形

實驗原材料為霧化Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr預(yù)合金粉末，其原始粉末的掃描電鏡照片如圖1所示。原始粉末基本呈規(guī)則球形，其平均粒徑為26.7 μm。為提高粉體流動性，在SLM實驗開始前，原始粉末在真空干燥箱中處理10 h，溫度設(shè)定為120 ℃。

圖1 原始Al-Mg-Sc-Zr粉末Fig.1 Initial powder of Al-Mg-Sc-Zr

SLM成形實驗使用南京航空航天大學(xué)自研SLM-250裝備，該裝備包括IPG 500 W光纖激光器(其激光能量呈高斯分布且連續(xù)可調(diào))、精密自動鋪粉裝置、氬氣氛圍及氣體循環(huán)系統(tǒng)、計算機輔助控制系統(tǒng)等，SLM成形示意圖如圖2(a)所示。在成形過程中，成形腔體保持氬氣氛圍，含量低于50 cm3/m3。經(jīng)前期工藝試驗設(shè)定的工藝參數(shù)為激光功率400 W、掃描速度400～1 600 mm/s、掃描間距60 μm、鋪粉層厚30 μm、激光光斑直徑70 μm。成形策略采用正交方式，即第N+1層相較于第N層激光掃描矢量方向旋轉(zhuǎn)90°，如圖2(b)所示。為優(yōu)化SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金工藝參數(shù)，先在不同激光參數(shù)下成形尺寸為10 mm×10 mm ×10 mm試件用于測算其致密度、表面質(zhì)量、孔隙分布、組織及性能；而后基于工藝優(yōu)化結(jié)果對微桁架夾芯板進行一體化成形。SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板加工過程如圖2(c)所示。

圖2 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金Fig.2 SLM processing of Al-Mg-Sc-Zr alloy

1.2 實驗方法

成形結(jié)束后先采用線切割方法使試件、夾芯板與成形基板分離，而后對試件進行超聲清洗及干燥處理。試件表面成形質(zhì)量采用Quanta 200型掃描電鏡(SEM，加速電壓20 kV)進行表征，試件側(cè)面經(jīng)切割、打磨、拋光處理后進行腐蝕，腐蝕劑為1.0 mL 48wt% 氫氟酸+1.5 mL 38wt% 濃鹽酸+2.5 mL 98wt% 濃硝酸+95.0 mL H2O。采用光學(xué)顯微鏡(OM)進行熔池形貌觀察，采用Archimedes方法及光學(xué)照片分析法測算成形試件致密度。采用SEM觀察試件側(cè)面微觀組織并用X射線能量散射譜(EDX)分析熔池元素分布，利用顯微硬度計對不同試件側(cè)面硬度進行表征。針對SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板，利用天平稱量不同參數(shù)下夾芯板的質(zhì)量，利用游標(biāo)卡尺測量不同參數(shù)下夾芯板3個維度尺寸精度，采用SEM對桁架單桿形貌進行觀測。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果

2.1 成形件表面成形質(zhì)量

圖3為不同激光參數(shù)下(激光功率400 W，掃描速度分別為400、800、1 200、1 600 mm/s)成形試件表面形貌SEM照片。可見，成形試件表面質(zhì)量隨激光掃描速度變化而發(fā)生顯著變化。當(dāng)激光掃描速度較低(400 mm/s，即激光線能量密度為1 000 J/m)時，成形試件表面出現(xiàn)較多“漣漪狀”微起伏，表明此時熔池由于能量輸入較高不穩(wěn)定性增加，熔池內(nèi)湍流增加；同時試件表面形成少量圓形孔隙，孔隙尺寸為20～30 μm。當(dāng)激光掃描速度增加至800 mm/s，即激光線能量密度為500 J/m時，試件表面微起伏減緩，表明隨激光掃描速度增加，能量輸入降低且熔池內(nèi)部熔體不穩(wěn)定性下降；同時試件表面孔隙率降低。當(dāng)激光掃描速度進一步增加至1 200 mm/s，即激光線能量密度為333 J/m時，試件表面“漣漪狀”微起伏消失，出現(xiàn)少許尺寸約為150～250 μm的球化現(xiàn)象；這是由于激光掃描速度過大時，激光能量輸入較低導(dǎo)致熔體黏度顯著升高，同時高掃描速度使凝固速率提升，進而導(dǎo)致液相難以有效鋪展，出現(xiàn)球化效應(yīng)。當(dāng)激光掃描速度達1 600 mm/s，即激光線能量密度為250 J/m時，試件表面出現(xiàn)較多球化及孔隙，表明此時由于激光能量輸入不足導(dǎo)致表面質(zhì)量嚴(yán)重下降，內(nèi)部冶金缺陷增加[23]。可見在激光功率400 W、掃描速度800 mm/s工藝下獲得最佳表面質(zhì)量，該情況下測得表面粗糙度為13.2 μm。

圖3 不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件表面質(zhì)量Fig.3 Surface morphologies of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM with different laser scan speeds

2.2 成形件致密化行為

圖4為不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件橫截面顯微組織，可見魚鱗狀熔池搭接形貌；圖5為成形試件致密度隨激光掃描速度變化規(guī)律?？梢姵尚卧嚰旅芑袨殡S激光掃描速度變化而發(fā)生顯著變化。當(dāng)掃描速度較低(400 mm/s和800 mm/s)時，激光成形試件中僅存少量微孔，其尺寸約為10～20 μm(圖4(a)和圖4(b))； 這些微孔可能是因激光能量輸入較為充足，在局部熱量累積區(qū)域?qū)е碌腿埸c元素(Al、Mg)蒸發(fā)造成氣孔；在該成形條件下，試件致密度分別達99.1%和99.5%(圖5)。當(dāng)激光掃描速度增至1 200 mm/s時，在熔池邊界處可見圓形孔隙，尺寸約為40 μm(圖4(c))；這是由于掃描速度增加引起激光能量輸入減少，熔池內(nèi)溫度降低進而導(dǎo)致熔體流動能力降低，在加工過程中部分氣泡無法及時逸出而殘留在基體中；此時試件的致密度降低為98.8%(圖5)。當(dāng)激光掃描速度進一步增至1 600 mm/s時，試件內(nèi)部殘留孔隙尺寸及數(shù)量顯著增加(圖4(d))，致密度降低至98.2%(圖5)。結(jié)果表明當(dāng)激光功率400 W、掃描速度800 mm/s時SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件獲得最大致密度(99.5%)，掃描速度過低或過高均會引起孔隙增加從而降低試件致密度。

圖4 不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件橫截面顯微組織Fig.4 Cross-sectional microstructure of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM using different laser scan speeds

圖5 不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr 試件致密度Fig.5 Densification degrees of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM using different laser scan speeds

2.3 成形件顯微組織

圖6為激光掃描速度為400 mm/s及1 600 mm/s 時SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件橫截面顯微組織局部放大光學(xué)照片及SEM照片，可見熔池邊界區(qū)域光學(xué)照片顏色加深；究其原因為在SLM成形Al-Mg-Sc-Zr過程中高能激光束與合金粉體瞬態(tài)作用形成熔池，在液態(tài)熔體中過共晶Sc元素會與α-Al作用，先于基體凝固生成Al3Sc析出相。由于溫度梯度分布，該析出顆粒會在熔池邊界處首先形成并作為基體形核劑促進等軸晶形成。隨著凝固過程推進熔池內(nèi)部冷卻速率與凝固速率加快，致使熔池中部大部分Sc元素固溶在基體中形成過飽和固溶體。此時由于缺乏形核劑及過快的凝固速率，熔池中部形成沿溫度梯度方向的柱狀晶[17]。因此SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金試件內(nèi)部等軸晶與柱狀晶相間分布，熔池邊界為等軸晶而熔池中部為柱狀晶，且一次析Al3Sc相會在熔池邊界處富集。在采用腐蝕劑對試件組織進行處理時，由于Al3Sc顆粒與α-Al基體存在電位差而形成局部微電偶，進而促進熔池邊界Al3Sc顆粒周圍基體溶解，形成局部腐蝕坑。在光學(xué)照片中，熔池邊界因局部微腐蝕坑致使顏色變暗，而熔池中部呈現(xiàn)亮色。對比400 mm/s及1 600 mm/s激光掃描速度下成形試件截面光學(xué)照片(圖6(a)和圖6(b))，可見在較低掃描速度(400 mm/s)下試件熔池邊界的暗色區(qū)域更為顯著，且在SEM照片(圖6(c))中可觀察到尺寸為20～50 nm的析出顆粒；而在較高掃描速度(1 600 mm/s)下SEM照片(圖6(d))中析出物不顯著。因此，激光掃描速度對析出物分布存在顯著影響，在較低掃描速度下由于凝固速度較慢，熔體液相存在時間長，析出物有充分形核-長大的時間；而在較高掃描速度下由于凝固速度顯著提升，一次Al3Sc相析出阻力增大，熔池邊界處析出物減少，稀土Sc元素大部分固溶在基體中。

圖6 不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件局部顯微組織Fig.6 Microstructures of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM with different laser scan speeds

圖7為激光掃描速度400 mm/s時SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件橫截面顯微組織及元素分析。圖7(a)為400 mm/s試件側(cè)面SEM照片，水平方向為試件的SLM成形方向(z方向)，淺色區(qū)域為熔池邊界。圖7(b)為圖7(a)中白色箭頭所示區(qū)域的Sc元素分布線掃描結(jié)果。對比圖7(a)和圖7(b)可見Sc元素分布與熔池位置密切相關(guān)，在熔池邊界區(qū)域Sc元素含量較高(1.8wt%～1.9wt%)， 而在熔池中部區(qū)域Sc元素含量較低(1.6wt%～1.7wt%)，這與SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件顯微組織特征有關(guān)。如對圖6的分析所述，由于在較低掃描速度下一次Al3Sc析出相會在熔池邊界處富集析出，進而導(dǎo)致熔池邊界處Sc含量有升高傾向。

圖7 激光掃描速度400 mm/s下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件SEM照片及Sc元素分布Fig.7 SEM photograph and Sc element distribution of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM with laser scan speed of 400 mm/s

2.4 成形件性能表征

圖8為不同激光掃描速度(400～1 600 mm/s) 下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件顯微硬度分布。可見，成形試件的顯微硬度隨掃描速度變化而發(fā)生顯著變化。當(dāng)掃描速度較低(400 mm/s)時，成形試件的顯微最高約為95 HV0.2。隨著掃描速度提升至800 mm/s，試件的顯微硬度降低至90 HV0.2。當(dāng)激光掃描速度進一步增至1 200 mm/s與1 600 mm/s 時，試件的顯微硬度分別降低至87 HV0.2與82 HV0.2。由此可見隨著激光掃描速度增加，SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金試件的顯微硬度逐漸降低，這與納米原位Al3Sc的析出密切相關(guān)。如2.3節(jié)中組織表征結(jié)果所述，在激光掃描速度較低時由于凝固速率慢，較多Al3Sc相可析出并在后續(xù)凝固過程中保留在基體中。這些納米析出相基于納米彌散析出強化及第二相強化等機制可顯著改善試件的力學(xué)性能。因此在較低掃描速度下成形試件的顯微硬度較高，而在較高掃描速度下由于Al3Sc相析出能力下降，大部分Sc元素以固溶體形式存在基體中，無法有效強化基體，造成較高激光掃描速度下試件的顯微硬度下降。同時，從圖8可以發(fā)現(xiàn)在高激光掃描速度下試件的顯微硬度分布波動增強，表明在這種情況下力學(xué)性能均勻性變差；這可能與高掃描速度下試件冶金缺陷增加有關(guān)，較高的孔隙率使試件性能均勻性劣化(如圖4(d)所示)。圖9為激光功率400 W、掃描速度800 mm/s時SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金時效處理前后拉伸性能，可見時效處理前試件抗拉強度為347.2 MPa，延伸率為25.3%。經(jīng)325 ℃/4 h時效處理后，試件抗拉強度增至531.1 MPa，延伸率為13.0%，表明經(jīng)工藝優(yōu)化后試件獲得了較優(yōu)綜合力學(xué)性能。國內(nèi)外團隊針對SLM成形Al-Mg-Sc-Zr試件力學(xué)性能亦有相關(guān)報道，如中南大學(xué)李瑞迪等[24]采用SLM制備了低Sc含量的Al-3.02Mg-0.2Sc-0.1Zr 試件，其原始沉積態(tài)抗拉強度達225 MPa，延伸率為10%，經(jīng)325 ℃/16 h時效處理后，抗拉強度可提升至400 MPa，延伸率仍為10%。蘇黎世理工大學(xué)Spierings等[19]基于SLM技術(shù)成形了高Sc含量Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn試件，其原始沉積態(tài)抗拉強度可達400 MPa，延伸率為16%，經(jīng)325 ℃/4 h時效處理，抗拉強度提升至520 MPa以上，延伸率降至12%左右。

圖8 不同激光掃描速度下SLM成形 Al-Mg-Sc-Zr試件顯微硬度Fig.8 Microhardness of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM with different laser scan speeds

圖9 激光功率400 W、掃描速度800 mm/s時SLM 成形Al-Mg-Sc-Zr試件時效前后拉伸性能Fig.9 Tensile properties of Al-Mg-Sc-Zr specimens processed by SLM with laser power of 400 W and scan speed of 800 mm/s before and after aging process

3 微桁架夾芯板成形測試

3.1 SLM成形稀土改性高強鋁合金微桁架夾芯板

圖10(a)為所用微桁架夾芯板模型圖。其頂部及底部均為厚度0.5 mm的底板，內(nèi)部夾芯為雙層體心立方點陣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元如圖10(a)框選部位所示，桿直徑0.5 mm。SLM成形過程如圖2(c)所示，成形結(jié)果如圖10(b)所示，可見基于前期工藝優(yōu)化，微桁架夾芯板可獲得較好的成形效果。成形單個微桁架夾芯板構(gòu)件照片如圖10(c)和圖10(d)所示，成形構(gòu)件表面光潔平整，無明顯缺陷及變形開裂。

圖10 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板Fig.10 Al-Mg-Sc-Zr micro-truss sandwich panel structures processed by SLM

圖11為不同激光掃描速度下SLM成形微桁架夾芯板構(gòu)件質(zhì)量變化，可見構(gòu)件質(zhì)量隨激光掃描速度變化而發(fā)生顯著變化。當(dāng)激光掃描速度較低(400 mm/s)時，成形構(gòu)件獲得最大質(zhì)量(78.2 g)；這可能是由于此時激光能量輸入較高，激光穿透能量也較高，熔池有效熔化范圍增加，進而導(dǎo)致在成形桁架微桿結(jié)構(gòu)時更多粉末被吸入熔池中。因此在該激光參數(shù)下成形桁架微桿結(jié)構(gòu)會明顯加粗，進而導(dǎo)致構(gòu)件整體質(zhì)量增加。隨著激光掃描速度增至800 mm/s，構(gòu)件質(zhì)量降低至67.3 g，表明此時激光能量輸入有所減少，微桿尺寸減小，構(gòu)件整體質(zhì)量減輕。當(dāng)激光掃描速度進一步增至1 200 mm/s及1 600 mm/s時，微桁架夾芯板構(gòu)件質(zhì)量降低至59.7 g及53.1 g，表明隨激光掃描速度提升，微桿尺寸繼續(xù)下降，導(dǎo)致整體構(gòu)件質(zhì)量也繼續(xù)減輕。

圖11 不同激光掃描速度下SLM成形 Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板質(zhì)量Fig.11 Weight of Al-Mg-Sc-Zr micro-truss sandwich panel structures processed by SLM with different laser scan speeds

圖12為不同激光掃描速度下SLM成形微桁架夾芯板構(gòu)件在長度、寬度及高度3個方向上的尺寸精度，其中長度、寬度方向與SLM成形基板面平行，高度方向與SLM成形方向平行。圖12 中紅色虛線代表數(shù)據(jù)模型在該方向上標(biāo)準(zhǔn)長度?？梢姡瑯?gòu)件在水平方向(長度、寬度方向)上尺寸隨激光掃描速度變化呈現(xiàn)出相似變化規(guī)律，即隨激光掃描速度增加構(gòu)件尺寸減小。當(dāng)激光掃描速度較低(400 mm/s)時，成形構(gòu)件獲得最大長度和寬度，分別為156.3 mm及20.9 mm；當(dāng)掃描速度增至1 600 mm/s時，構(gòu)件獲得最小尺寸，其長度及寬度分別為156.1 mm及20.6 mm。表明隨著激光掃描速度增加，構(gòu)件在水平方向成形精度增加。這可能是因為在較低掃描速度下成形試件表面掛渣現(xiàn)象增加，導(dǎo)致尺寸精度降低。同時可以注意到相較于長度方向(156.3 mm/156.0 mm)，寬度方向(20.9 mm/20.0 mm)出現(xiàn)更大尺寸偏差。結(jié)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點，其機制分析闡述如下：在長度方向微桁架夾芯板存在大面積實體底板結(jié)構(gòu)約束，因此在熱膨脹/內(nèi)應(yīng)力影響下變形有限，呈現(xiàn)出較優(yōu)尺寸精度；而在寬度方向均為微桁架點陣結(jié)構(gòu)，在成形過程中由于熱積累與熱膨脹等效應(yīng)存在較大內(nèi)應(yīng)力，成形結(jié)束后構(gòu)件從基板切割下來導(dǎo)致構(gòu)件失去強約束，在寬度方向產(chǎn)生一定變形進而導(dǎo)致尺寸偏差增大。在高度方向上，構(gòu)件尺寸隨激光掃描速度增加呈現(xiàn)出與水平方向相反的規(guī)律，即隨激光掃描速度增加尺寸增大。在較低掃描速度(400 mm/s)下，構(gòu)件高度為57.8 mm，而當(dāng)掃描速度增加至1 600 mm/s時，構(gòu)件高度增至58.1 mm。這是由于在較低掃描速度下能量輸入較高，從而凝固收縮效應(yīng)更顯著，導(dǎo)致凝固實體高度低于松散粉末高度，引起高度方向收縮效應(yīng)；在較高掃描速度下收縮影響降低，構(gòu)件因熱應(yīng)力效應(yīng)發(fā)生微量膨脹，因而尺寸增加且略高于模型高度。

圖12 不同激光掃描速度下SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板成形精度Fig.12 Dimensions of Al-Mg-Sc-Zr micro-truss sandwich panel structures processed by SLM with different laser scan speeds

3.2 夾芯板壓縮性能

圖13為SLM一體化成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板時效處理前后壓縮性能對比?？梢娫嚰嚎s性能與SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的拉伸性能類似，均隨著時效處理呈現(xiàn)出差異化的力學(xué)特性。針對原始沉積態(tài)微桁架夾芯板構(gòu)件，其在壓縮過程中呈現(xiàn)出更優(yōu)異的變形能力，這與拉伸試驗中該合金呈現(xiàn)出較高延伸率的現(xiàn)象一致。而經(jīng)過時效處理后，夾芯板的變形能力有所下降，但承載能力明顯提升。在彈性階段原始沉積態(tài)試件可承受最大載荷為3.81 kN，而時效處理后夾芯板彈性階段可承受5.92 kN的載荷，承載能力明顯提升。這表明經(jīng)時效處理后合金內(nèi)部產(chǎn)生的大量彌散分布析出相可大幅強化基體力學(xué)性能，改善微桁架夾芯板的承載性能與抗壓縮能力；但與此同時時效處理會在一定程度上削弱構(gòu)件的變形能力。

圖13 SLM一體化成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板時效處理前后壓縮性能對比Fig.13 Comparison of compression performance of Al-Mg-Sc-Zr micro-truss sandwich panel structures processed by SLM before and after aging process

3.3 微結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量

圖14為SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板微桿結(jié)構(gòu)SEM照片，可見桁架微桿成形質(zhì)量隨激光掃描速度改變而發(fā)生顯著變化。在較低掃描速度(400 mm/s)下，成形桁架微桿直徑明顯加粗，為1.37 mm，這是由于高能量輸入下激光穿透能量增強，導(dǎo)致成形過程中粘粉現(xiàn)象加劇，降低了微桿成形精度，與圖11質(zhì)量測試結(jié)果一致。當(dāng)激光掃描速度增加至800 mm/s時，桁架微桿直徑降低至1.25 mm，此時構(gòu)件質(zhì)量也從78.2 g降至67.3 g，表明微桿成形精度提升，激光熱影響區(qū)域及粘粉現(xiàn)象減少。當(dāng)激光掃描速度進一步增至1 200 mm/s及1 600 mm/s后，桁架微桿直徑分別降至0.97 mm和0.84 mm，表明伴隨著激光能量輸入的降低，微桿尺寸逐步下降，成形精度提升。此外在所有激光掃描速度下，微桿下方均呈現(xiàn)出不規(guī)則凸出及粉末團聚粘結(jié)現(xiàn)象，這是SLM成形過程中產(chǎn)生的掛渣現(xiàn)象，同時微桿表面可見大量球形微凸起，這為結(jié)構(gòu)成形時產(chǎn)生的粘粉現(xiàn)象。綜上，針對微桁架夾芯板結(jié)構(gòu)SLM成形，在適宜激光工藝區(qū)間內(nèi)隨著激光掃描速度提升，成形構(gòu)件微桿成形精度、構(gòu)件整體精度協(xié)同提升，構(gòu)件質(zhì)量減輕。

圖14 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夾芯板微結(jié)構(gòu)SEM照片F(xiàn)ig.14 SEM photographs of thin rods of Al-Mg-Sc-Zr micro-truss sandwich panel structures processed by SLM

SLM技術(shù)為輕質(zhì)高性能微桁架夾芯板一體化成形制造提供了可能。微桁架夾芯板針對服役環(huán)境不同具有差異化的承載需求及精度要求，航空領(lǐng)域要求夾芯板在具有一定承載性能的基礎(chǔ)上盡量提升微桿精度以減輕構(gòu)件質(zhì)量?；诒疚难芯?，為同時保證力學(xué)性能、構(gòu)件質(zhì)量與成形精度，其激光掃描速度工藝區(qū)間可采用800～1 200 mm/s，此時構(gòu)件兼具輕量化、較優(yōu)力學(xué)性能及成形精度。

4 結(jié) 論

1) 激光掃描速度顯著影響SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面成形質(zhì)量及冶金缺陷，在激光功率400 W、掃描速度800 mm/s工藝參數(shù)下獲得最佳表面質(zhì)量及致密度(99.5%)。

2) SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金在不同激光掃描速度下呈現(xiàn)差異化析出特性，在較低掃描速度下，Al3Sc相可充分形核析出并在熔池邊界聚集；而在較高掃描速度下因凝固速率升高，納米析出量降低，進而導(dǎo)致試件顯微硬度降低。經(jīng)優(yōu)化后，SLM成形高強鋁合金時效處理后抗拉強度可達531.1 MPa。

3) 基于工藝優(yōu)化，SLM可高質(zhì)量成形Al-Mg-Sc-Zr合金微桁架夾芯板，構(gòu)件成形質(zhì)量、尺寸精度隨激光參數(shù)變化而發(fā)生顯著變化。隨著激光掃描速度增加，構(gòu)件粘粉現(xiàn)象減少，質(zhì)量減輕，水平方向尺寸精度及桁架微桿成形精度隨之提高，而高度方向尺寸隨之增加。