颗粒尺寸分布对选择性激光熔化制备的AlSi10Mg合金微观结构和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：The influence of particle size distribution on the microstructure and mechanical properties of AlSi10Mg alloy produced by selective laser melting

选择性激光熔化（SLM）制备AlSi10Mg合金时，粒度分布显著影响熔池形态、密度及力学性能。本研究通过实验与Flow-3D模拟，发现0-15μm与15-100μm粉末等比例混合（方案e）最优，其屈服强度318.7 MPa，抗拉强度498.9 MPa，延伸率14%，熔池边界清晰，晶粒均匀细化，密度显著提升。

　　

徐张|葛茂宁|张鹏|李东明|陈炳志

大连交通大学展天佑荣誉学院，中国大连116028

摘要：

作为一种高精度的增材制造技术，选择性激光熔化（SLM）在快速原型制作领域展现了显著的优势。然而，其成型质量在很大程度上受到金属粉末粒径分布的限制。目前，对于粒径分布的优化仍缺乏系统的理论指导，主要依赖于实验经验。本文系统研究了不同粒径分布方案对选择性激光熔化制备的AlSi10Mg合金试样微观结构和力学性能的影响。通过实验与Flow-3D仿真的结合，确定了最佳的粒径分布方案。结果表明，当0-15 μm和15-100 μm粒径段以相等比例混合时（方案e），样品的综合力学性能最佳：屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到318.7 MPa、498.9 MPa和14%。微观分析显示，这种分级方案的熔池形状规则，缺陷较少，密度显著提高。与单一粒径粉末相比，该分级样品的微观结构得到了显著优化：熔池边界清晰，晶粒细小均匀，呈规则的柱状分布。这有效促进了晶粒的细化及结构的均匀性。同时，细化的晶粒增强了霍尔-佩奇效应（Hall-Petch effect），有效阻碍了位错的运动，从而显著提高了屈服强度。有限元仿真进一步表明，粒径分级能够改善熔池的流动性和稳定性，避免单一粒径引起的过热或不均匀问题。本研究证明，适当的粒径分布通过优化粉末堆积密度和激光吸收行为，有效提升了SLM成型零件的质量和力学性能。

引言

增材制造（AM）技术为实现更好的力学性能和复杂零件设计提供了新的可能性，同时也提高了生产效率和定制化制造能力，对传统制造技术构成了严峻挑战[1][2]。与传统机械加工和模具注塑成型技术不同，增材制造采用“逐点沉积、逐层构建”的原理。通过精确控制的材料沉积过程，数字模型直接转化为实体零件，显著提高了材料利用率并降低了制造成本[3]。选择性激光熔化是一种基于激光熔化粉末床的增材制造技术，利用高速激光束进行扫描，实现高温熔化和快速固化，生产出具有优异密度和力学性能的零件[4][5]。该技术能够生产高性能合金零件，特别适用于对强度和几何形状有严格要求的领域，如航空航天部件和医疗植入物[6]。尽管选择性激光熔化技术应用前景广阔，但仍存在一些技术挑战，如孔隙缺陷、残余应力和表面粗糙度问题。这些问题需要进一步研究以提升工艺稳定性和产品质量[7]。

近年来，由于铝合金优良的铸造性和可焊性[8][9]，它们在SLM加工中得到了广泛应用。其中，AlSi10Mg的研究成为热点。添加Si和Mg元素可以减少SLM过程中因收缩引起的内部应力，并防止Al元素的氧化[10][11][12][13][14]。成功的SLM工艺依赖于熔池的充分形成，以确保粉末完全熔化并在后续固化过程中良好结合。然而，在SLM打印过程中，未熔化的传统AlSi10Mg粉末容易在固化后附着在熔池上，导致侧向偏差，从而产生缺陷并影响力学性能[15]。Englert L等人利用μCT方法研究了几何形状对常见缺陷的影响，揭示了AlSi10Mg试样中孔隙率、工艺参数和几何形状之间的关系[16]。Tang M等人测量了AlSi10Mg合金零件的微观结构尺度，并将其与晶胞尺寸与冷却速率之间的关系进行了比较，发现随着晶粒直径的增加，次级枝晶臂间距增大，影响了SLM打印的质量[17]。还有大量研究关注SLM打印中AlSi10Mg粉末的粒径[18]。Balbaa M A等人使用两种不同粒径的AlSi10Mg粉末（粗粒：15-70 μm和细粒：1-20 μm）作为模型，探讨了粒径对最终零件质量（包括密度、表面质量、尺寸精度、微观结构和显微硬度）的影响[18]。Chu F等人将一批AlSi10Mg粉末分为四组，发现粗粒粉末对激光功率的变化更为敏感，表现为熔池特性、缺陷数量和尺寸的变化。增加激光功率后，相对密度显著提高[19]。由此可见，AlSi10Mg粉末的粒径是影响SLM工艺质量和最终零件性能的关键因素之一。研究表明，粉末颗粒的大小和分布不仅直接影响熔池行为、缺陷（如孔隙）的形成和分布、表面质量及微观结构，还决定了激光-粉末相互作用的有效性、熔池稳定性和固化行为。

因此，仅关注单一粒径的影响已不再足够。更精确地控制粉末系统的粒径分布（即粒径分级）以优化粉末床的物理性能和熔化行为变得至关重要。此外，提高冶金结合质量和整体零件性能成为优化SLM技术的重要方向。粒径分级方案对选择性激光熔化的冶金结合能力起着关键作用。Zhang等人发现，适当的粒径分布可以减少内部空洞，提高密度，从而显著增强复合产品的结构完整性和抗拉强度[20]。Spierings等人发现，通过控制粉末床的粒径分布，可以实现更高的材料密度并减少层间不均匀性，这对控制选择性激光熔化过程中的内部应力、提高成品的力学性能至关重要[21]。Zhou等人发现，粉末堆积密度对增材制造中复合材料的力学性能有显著影响，尤其是在高应力条件下。优化的粒径分布可以有效延缓微裂纹扩展，增强材料的断裂韧性并提高抗剪切性能。粒径分布的改进显著提升了激光烧结产品的表面光洁度和密度，减少了孔隙率，改善了力学性能和外观精度[23][24][25]。Lu等人发现，粒径分布直接影响粉末床的导热性，小颗粒填充大颗粒间隙的结构有助于提高导热性并减少热量积聚[26]。Guo等人发现，优化的粒径分布提高了粉末流动性，减少了粉末堆积不均匀性，使打印过程更加顺畅，提升了层间结合质量[27]。多项研究表明，控制粒径分布可以显著改善材料性能。在适当的粒径分布条件下，颗粒可以更紧密地堆积，从而提高材料的密度和力学性能。然而，材料制备方法、粒径分布设计和加工环境的差异会直接影响最终材料的微观结构和性能。合理控制和调整粉末粒径分布可以优化材料性能并减少缺陷的产生。因此，明确材料的粒径分布方案并精确控制粒径分布对于指导后续的粒子材料设计和加工技术优化至关重要。

目前，关于利用粒径分布研究AlSi10Mg合金在增材制造技术中的性能的研究尚有限。本研究选取了三种典型粒径的AlSi10Mg合金粉末（0–15 μm、15–53 μm和53–100 μm）作为研究对象，通过比例混合设计了粒径分布方案，并使用SLM的最佳打印参数，打印出不同粒径分布的样品，以探究粒径分布对AlSi10Mg合金微观结构和力学性能的影响。

选择性激光熔化过程

选择性激光熔化（SLM）是一种粉末床熔融技术，如图1(a)所示。该过程使用粉末铺展装置将粉末均匀铺展在粉末床上，然后扫描系统根据3D模型数据引导激光束有选择地加热目标区域，使粉末颗粒部分熔化并结合在一起形成固体结构层[25][26][27][28]。接着，构建平台下降一层厚度，

力学性能

图4展示了使用不同粒径分布方案制备的AlSi10Mg合金试样的力学性能。测试结果显示力学性能存在显著差异。从曲线可以看出，方案e的力学性能最佳，屈服强度为318.732 MPa，抗拉强度为498.9 MPa，延伸率为14%；方案a的力学性能最差，屈服强度为176.952 MPa，抗拉强度为345.37 MPa

结论

本文系统研究了不同粒径分级方案对选择性激光熔化（SLM）制备的AlSi10Mg合金试样微观结构和力学性能的影响。同时，利用有限元软件Flow-3D模拟了单次和多次熔池的形成过程。基于实验数据和仿真结果，本研究得出以下结论：

(1)

在最佳工艺参数下，当使用适当的粒径分布时

作者贡献声明

张鹏：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用。陈炳志：资源获取、项目管理、实验研究、资金申请、数据分析。李东明：项目管理、方法研究、数据分析。葛茂宁：撰写——初稿撰写、方法研究、实验研究、数据管理。徐张：撰写——初稿撰写、资源获取、数据管理、概念构思

利益冲突声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

数据获取

本研究的支持数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52271023）、辽宁省自然科学基金（2024-BS-199）、辽宁省属高校基本科研经费（LJ212410150058）、辽宁省交通运输行业科技项目（2023-46）、辽宁省教育厅基础研究项目（JYTQN2023002）以及大连市科技创新人才支持政策计划的支持。