一种提高3d打印铝合金基板和打印件结合强度的方法
阅读说明：本技术 一种提高3d打印铝合金基板和打印件结合强度的方法 (Method for improving bonding strength of 3D printing aluminum alloy substrate and printed part ) 是由 于宝义 郑黎 何亮 于博宁 常东旭 朱慧文 吕舒宁 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法,属于材料加工的技术领域。该提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法为：确定铝合金基板模型的形状的尺寸,并确定打印件模型形状和尺寸,建立模型；模拟不同打印参数下,铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布,并根据残余应力分布最小,确定最优打印方案；根据确定的最优打印方案,进行打印后,将打印后的成形件进行热处理,得到3D打印铝合金基板和打印件结合的成形件。该方法,该方法通过优化3D打印参数同时结合热处理工艺,可以降低3D打印铝合金基板和打印件结合部位的残余应力,提高3D打印铝合金基板和打印件结合部位结合强度。(A method for improving the bonding strength of a 3D printing aluminum alloy substrate and a printed piece belongs to the technical field of material processing. The method for improving the bonding strength of the 3D printing aluminum alloy substrate and the printed part comprises the following steps: determining the shape and size of the aluminum alloy substrate model, determining the shape and size of a printed product model, and establishing the model; simulating the residual stress distribution of the combined part of the aluminum alloy substrate and the printed piece under different printing parameters, and determining an optimal printing scheme according to the minimum residual stress distribution; and according to the determined optimal printing scheme, after printing, carrying out heat treatment on the printed formed piece to obtain the formed piece formed by combining the 3D printed aluminum alloy substrate and the printed piece. According to the method, the 3D printing parameters are optimized and the heat treatment process is combined, so that the residual stress of the combination part of the 3D printing aluminum alloy substrate and the printed piece can be reduced, and the combination strength of the combination part of the 3D printing aluminum alloy substrate and the printed piece is improved.)
技术领域
本技术发明属于材料加工的技术领域，具体涉及一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法。
背景技术
3D打印技术与传统成形工艺相比具有许多优势之处：在原材料上，3D打印技术可以很大程度上减少材料的浪费，这点在材料上更符合可持续性发展的战略方针；3D打印不需要铸模，采用相应粉末材料即可完成制件的打印，成形过程产生的污染小，异味小甚至没有异味，对人体健康不会产生负面影响，成形速度快，使得生产周期短，更适合大批量生产；3D打印成形的制件致密度很高，接近百分之百；可以成形复杂结构的零部件，不存在传统机械加工的死角，适用于任何形状和能够绘制出三维图的零部件，很大程度减少了后续的机械加工；3D打印工艺成形的工件力学性能好，表面粗糙度低，制造精度可以达到±20μm，可以满足零部件的各项标准；因为3D打印周期短且打印遵循三维图，所以设计空间大，修改方便。
现如今，3D打印技术已经在不同的领域得到成功的应用。而在生产制造领域金属打印的主流打印技术是：SLS选择性激光烧结3D打印技术和SLM选择性激光熔融3D打印技术，虽然SLS和SLM在打印过程上基本一致，但是因为SLS除了使用主体金属粉末外还需要添加一定比例的粘结剂，其强度低，并且因为存在致密度低的问题，所以力学性能上和成型精度上也比SLM也差一些，因此，在铝合金3D打印上，大部分采用SLM，其原理是通过将原材料粉末铺至打印平台，在采用激光进行高温熔化后进行小区域的凝固和搭接，逐层堆叠后成形最终工件。在3D打印成形的过程中，粉末材料需要粉床进行支撑，而在打印第一层时高能量热源将粉床表面熔化，因此可以通过3D打印技术进行损伤件的修复和在大部件上增材小构件。
铝合金具有密度小、强度高、耐蚀性好、加工性能好等优点，易于实现轨道交通、航空航天领域的轻量化、整体化、复杂化以及精密化。铝合金结构件的传统制造工艺多为铸造工艺，难以满足精密铝合金结构件以及复杂结构铝合金结构件的制备要求。对于铝合金结构件，特别是一些在普通铝合金基板上进行异形打印件的加工，或者对于铝合金基板进行修复时，能够利用3D打印技术实现，但是因为铝合金基板表层熔化厚度较薄且在冷却过程中，容易在基板和打印件结合部位产生较大残余应力，影响打印件和铝合金基板的结合强度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，该方法通过优化3D打印参数同时结合热处理工艺，可以降低3D打印铝合金基板和打印件结合部位的残余应力，提高3D打印铝合金基板和打印件结合部位结合强度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，包括以下步骤：
步骤1：确定铝合金基板模型的形状的尺寸，并确定打印件模型形状和尺寸，建立模型；
步骤2：模拟不同打印参数下，铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布，并根据残余应力分布最小，确定最优打印方案；
步骤3：根据确定的最优打印方案，进行打印，得到打印后的成形件；
步骤4：对打印后的成形件进行热处理，得到3D打印铝合金基板和打印件结合的成形件。
所述的步骤1中，考虑到粉床作用，打印件模型的长度<铝合金基板模型的长度，同时打印件模型的宽度<铝合金基板模型的宽度。
所述的步骤2中，不同打印参数包括基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距。
所述的步骤2中，确定最优打印方案，包括：
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
所述的步骤2中，模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
所述的步骤4中，热处理包括去应力退火，用于降低3D打印铝合金基板和打印件结合部位的残余应力。热处理更优选为去应力退火和时效热处理结合。
所述的去应力退火工艺参数为：退火温度为250～350℃，保温时间为1.5～2h。
所述的时效热处理工艺参数为：根据最优打印方案中确定的基板温度作为时效温度，时效时间为4～8h。
采用上述得到提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法进行3D打印，得到的3D打印铝合金基板和打印件结合强度处的抗拉强度优选为314～483MPa，更优选为368～483MPa，屈服强度优选为161～314MPa，更优选为220～314MPa，伸长率为3.0～6.4％，硬度为55～123HB。
本发明的一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，其有益效果为：
本发明的核心在于降低3D打印件和基板结合部位残余应力，以达到提高3D打印件和基板结合强度的目的。一方面可以实现破损零部件的修复，节约资源减少材料浪费；另一方面可以实现在大部件上进行精细结构的生长，使零部件服役条件更广泛。而且得到了各打印参数对结合部位残余应力的影响规律，从而在实际打印中，能够结合影响规律，结合实际环境和要求进行调整参数。
并且本发明对打印后的成形件进行热处理，通过去应力退火工艺，或者去应力退火和时效热处理工艺的结合，通过去应力退火有效降低3D打印工艺过程中产生的加工残余应力，从而提高铝合金基板和铝合金3D打印件的结合强度；之后对制件进行时效热处理工艺，进一步提高铝合金3D打印件的性能，从而缩短制件与基板的性能差异，进一步减小结合层应力的产生，提高结合率。采用两种热处理工艺相结合的方式可以有效的提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度。
附图说明
图1为提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的工艺流程图；
图2为铝合金打印件和基板模型示意图；
图3为未热处理时，3D打印铝合金基板和打印件结合处的微观组织图；图中，a为3D打印铝合金基板和打印件结合处整体的微观组织图，其中，包括打印件形成的细晶区和基板形成的粗晶区；b为a中细晶区的放大图；c为a中3D打印铝合金基板和打印件结合处的放大图；d为a中3D打印铝合金基板和打印件结合处不同放大倍率的放大图；e为d的放大图；
图4为3D打印铝合金基板和打印件结合处残余应力测试选点图；
图5为实施例1中热处理中，时效热处理的时效时间为4h的微观组织图；
图6为实施例2中热处理中，时效热处理的时效时间为6h的微观组织图；
图7为实施例3中热处理中，时效热处理的时效时间为8h的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，其工艺流程图见图1，具体包括以下步骤：
步骤1：确定尺寸
确定打印件和铝合金基板模型以及长度和宽度尺寸，如图2所示，打印件中包含四种不同壁厚的零件，不同壁厚四种零件的尺寸分别为1.5mm×50mm×45mm、73.5mm×5mm×45mm、10mm×50mm×45mm和13.5mm×50mm×45mm，打印件整体尺寸为97mm×55mm×45mm。基板尺寸为97mm×55mm×30mm。基板的材料为AlSi10Mg铝合金，打印件的材料为AlSi10Mg铝合金。
步骤2：模拟仿真
采用数值模拟软件进行3D打印铝合金基板和打印件结合部位残余应力分布的数值仿真计算，通过控制变量法对每个参数进行变参数残余应力模拟计算，得到各参数对残余应力的影响规律。其中，控制的变量包括：基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距；模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
铝合金基板和打印件结合处残余应力测试选点图见图4。
步骤3：确定最优打印参数
综合考虑基板温度、激光功率、扫描速度、扫描间距对3D打印铝合金基板和打印件结合部分残余应力的影响，通过正交试验，得到残余应力最小的打印参数方案，选取合理的3D打印工艺参数进行3D打印试验，得到打印后的成形件。
本实施例确定的最优3D打印工艺方案为：基板温度180℃、扫描速度1100mm/s、激光功率450W、扫描间距70μm。
打印后的成形件中，3D打印件基板和打印件结合处的微观组织图见图3；图中，a为3D打印铝合金基板和打印件结合处整体的微观组织图，图中可以看到紧密排列的条状熔池，熔池交错搭接在一起，这种结构可以有效提高强度；b为a中细晶区的放大图，打印过程中，熔池中央区域因为冷却速度过快晶粒长大受到抑制而形成细小的网络状共晶Si相组织形成细晶区；c为a中3D打印铝合金基板和打印件结合处的放大图，成形过程中，基板受到打印层高温影响而再次熔化和凝固，共晶Si组织“断裂”和粗话形成粗晶区；d，e为a中3D打印铝合金基板和打印件结合处不同放大倍率的放大图，在打印过程中熔基板和打印区域冷却速度不一致，导致组织中共晶Si出现严重的破碎现象进而形成热影响区。
步骤4：热处理
对打印后的成形件中，打印件和基板结合部位进行热处理，得到热处理后的成形件：
(1)去应力退火处理：退火温度选择300℃，保温时间为2h，测试热处理前后结合部位残余应力变化情况，处理前残余应力为180MPa，处理后为119MPa，残余应力降低了33.89％；
(2)时效热处理：根据步骤3中所选择的基板温度作为时效温度(180℃)，时效时间4h。
步骤5：分析
对热处理后的成形件中，3D打印铝合金基板和打印件结合部位进行力学性能测试和微观组织观察，其抗拉强度为482.7MPa，屈服强度为313.7MPa，伸长率为6.4％，硬度为55HB，对打印件进行整体微观组织观察，其微观组织图片如图5，通过图5可以看出时效处理后网络枝干发生粗化，但随着Si的析出，粗晶区组织更加密集，晶界抑制晶粒滑移变形的效果增强，导致制件伸长率下降。对比仅仅进行去应力退火处理的成形件，其抗拉强度和屈服强度分别提高了14MPa和42.67MPa，伸长率降低了0.42％。
实施例2
一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定尺寸
确定打印件和基板模型以及长度和宽度尺寸，打印件中包含四种不同壁厚的零件，不同壁厚四种零件的尺寸(对应图中坐标系X×Y×Z)分别为2mm×50mm×50mm、73.5mm×5mm×50mm、10mm×50mm×50mm和13.5mm×50mm×50mm，打印件整体尺寸为110mm×55mm×50mm。基板尺寸为110mm×55mm×30mm。基板的材料为AlSi10Mg铝合金，打印件的材料为AlSi10Mg铝合金。
步骤2：模拟仿真
采用数值模拟软件进行3D打印铝合金基板和打印件结合部位残余应力分布的数值仿真计算，通过控制变量法对每个参数进行变参数残余应力模拟计算，得到各参数对残余应力的影响规律。其中，控制的变量包括：基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距；模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
步骤3：确定最优打印参数
综合考虑基板温度、激光功率、扫描速度、扫描间距对3D打印铝合金基板和打印件结合部分残余应力的影响，通过正交试验，得到残余应力最小的打印参数方案，选取合理的3D打印工艺参数进行3D打印试验，得到打印后的成形件。
本实施例确定的最优3D打印工艺方案为：基板温度200℃、扫描速度1000mm/s、激光功率500W、扫描间距80μm。
步骤4：热处理
对打印后的成形件中，打印件和基板结合部位进行热处理，得到热处理后的成形件：
(1)去应力退火处理：退火温度选择350℃，保温时间为2h，测试热处理前后结合部位残余应力变化情况，处理前残余应力为165MPa，处理后为117MPa，残余应力降低了29.09％；
(2)时效热处理：根据步骤3中所选择的基板温度作为时效温度(200℃)，时效时间6h。
步骤5：分析
对热处理后的成形件中，3D打印铝合金基板和打印件结合部位进行力学性能测试和微观组织观察，其抗拉强度为369MPa，屈服强度为262.7MPa，伸长率为4.43％，硬度为122.5HB，对打印件进行微观组织观察，其微观组织图片如图6，从图6可以看出，随着时效时间的加长，网格状Si相随着析出Si相的富集和长大逐渐变成条状，由于Si相的弥撒分布，导致制件的强度进一步提高，对比仅仅进行去应力退火处理的成形件，其抗拉强度和屈服强度分别提升了15.4MPa和33.2MPa。
实施例3
一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定尺寸
确定打印件和基板模型以及长度和宽度尺寸，打印件中包含四种不同壁厚的零件，不同壁厚四种零件的尺寸分别为1.5mm×50mm×45mm、73.5mm×5mm×45mm、15mm×50mm×45mm和15mm×50mm×45mm，打印件整体尺寸为105mm×55mm×45mm。基板尺寸为105mm×55mm×30mm。基板的材料为AlSi10Mg铝合金，打印件的材料为AlSi10Mg铝合金。
步骤2：模拟仿真
采用数值模拟软件进行3D打印铝合金基板和打印件结合部位残余应力分布的数值仿真计算，通过控制变量法对每个参数进行变参数残余应力模拟计算，得到各参数对残余应力的影响规律。其中，控制的变量包括：基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距；模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
步骤3：确定最优打印参数
综合考虑基板温度、激光功率、扫描速度、扫描间距对3D打印铝合金基板和打印件结合部分残余应力的影响，通过正交试验，得到残余应力最小的打印参数方案，选取合理的3D打印工艺参数进行3D打印试验。
本实施例确定的最优3D打印工艺方案为：基板温度180℃、扫描速度1200mm/s、激光功率550W、扫描间距65μm。
步骤4：热处理
对打印后的成形件中，打印件和基板结合部位进行热处理，得到热处理后的成形件：
(1)去应力退火处理：退火温度选择300℃，保温时间为1.5h，测试热处理前后结合部位残余应力变化情况，处理前残余应力为161MPa，处理后为115MPa，残余应力降低了28.57％；
(2)时效热处理：根据步骤3中所选择的基板温度作为时效温度(180℃)，时效时间8h。
步骤5：分析
对热处理后的成形件中，3D打印铝合金基板和打印件结合部位进行力学性能测试和微观组织观察，其抗拉强度为368MPa，屈服强度为220MPa，伸长率为4.85％，硬度为92.17HB，对打印件进行微观组织观察，其微观组织图片如图7，从图7可以看出，粗晶区宽度因为网络状结构Si相的溶解和固溶于基板中的Si相析出长大而明显变窄，因为粗晶区的宽度变窄，使得组织结构整体上更细化，在细晶强化的作用下件的抗拉强度和屈服强度发生提升，对比仅仅进行去应力退火处理的成形件，其抗拉强度和屈服强度分别提升了19.33MPa和58.33MPa。
实施例4
一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定尺寸
确定打印件和基板模型以及长度和宽度尺寸，打印件中包含四种不同壁厚的零件，不同壁厚四种零件的尺寸分别为1mm×50mm×40mm、73.5mm×5mm×40mm、10mm×50mm×40mm和13.5mm×50mm×40mm，打印件整体尺寸为85mm×45mm×40mm。基板尺寸为85mm×45mm×30mm。基板的材料为AlSi10Mg铝合金，打印件的材料为AlSi10Mg铝合金。
步骤2：模拟仿真
采用数值模拟软件进行3D打印铝合金基板和打印件结合部位残余应力分布的数值仿真计算，通过控制变量法对每个参数进行变参数残余应力模拟计算，得到各参数对残余应力的影响规律。其中，控制的变量包括：基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距；模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
步骤3：确定最优打印参数
综合考虑基板温度、激光功率、扫描速度、扫描间距等因素对3D打印铝合金基板和打印件结合部分残余应力的影响，通过正交试验，得到残余应力最小的打印参数方案，选取合理的3D打印工艺参数进行3D打印试验，得到打印后的成形件。
本实施例确定的最优3D打印工艺方案为：基板温度225℃、扫描速度900mm/s、激光功率300W、扫描间距85μm。
步骤4：热处理
对打印后的成形件中，打印件和基板结合部位进行热处理，得到热处理后的成形件：
(1)去应力退火处理：退火温度选择250℃，保温时间为2h，测试热处理前后结合部位残余应力变化情况，处理前残余应力为168MPa，处理后为110MPa，残余应力降低了34.52％；
(2)时效热处理：根据步骤3中所选择的基板温度作为时效温度(225℃)，时效时间8h。
步骤5：分析
对热处理后的成形件中，3D打印铝合金基板和打印件结合部位进行力学性能测试和微观组织观察，其抗拉强度为377.3MPa，屈服强度为278.3MPa，伸长率为3.03％，硬度为113.03HB。
实施例5
一种提高3D打印铝合金基板和打印件结合强度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定尺寸
确定打印件和基板模型以及长度和宽度尺寸，打印件中包含四种不同壁厚的零件，不同壁厚四种零件的尺寸分别为1mm×50mm×40mm、73.5mm×5mm×40mm、10mm×50mm×40mm和13.5mm×50mm×40mm，打印件整体尺寸为85mm×45mm×40mm。基板尺寸为85mm×45mm×30mm。基板的材料为AlSi10Mg铝合金，打印件的材料为AlSi10Mg铝合金。
步骤2：模拟仿真
采用数值模拟软件进行3D打印铝合金基板和打印件结合部位残余应力分布的数值仿真计算，通过控制变量法对每个参数进行变参数残余应力模拟计算，得到各参数对残余应力的影响规律。其中，控制的变量包括：基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距；模拟的不同打印参数范围为：基板温度25～225℃、激光功率200～600W、扫描速度900～1200mm/s、扫描间距40～85μm。
(1)考察单一打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响；
(2)采用正交试验方法，确定多个打印参数因素对铝合金基板和打印件结合部位的残余应力分布的影响。
步骤3：确定最优打印参数
综合考虑基板温度、激光功率、扫描速度、扫描间距等因素对3D打印铝合金基板和打印件结合部分残余应力的影响，通过正交试验，得到残余应力最小的打印参数方案，选取合理的3D打印工艺参数进行3D打印试验，得到打印后的成形件。
本实施例确定的最优3D打印工艺方案为：基板温度225℃、扫描速度900mm/s、激光功率300W、扫描间距85μm。
步骤4：热处理
对打印后的成形件中，打印件和基板结合部位进行去应力退火处理：退火温度选择250℃，保温时间为2h，测试热处理前后结合部位残余应力变化情况，处理前残余应力为168MPa，处理后为110MPa，残余应力降低了34.52％，得到热处理后的成形件：
步骤5：分析
对热处理后的成形件中，3D打印铝合金基板和打印件结合部位进行力学性能测试和微观组织观察，其抗拉强度为314.33MPa，屈服强度为231.67MPa，伸长率为5.53％，硬度为67HB。
3D打印的基板为铸造铝合金，采用3D打印进行制件。由于残余应力的原因，结合部位的结合强度会降低，采用去应力热火热处理，目的是降低内部残余应力提高基板和打印件的结合强度。
通过实施例4和实施例5对比，仅仅进行去应力退火处理会造成打印件的强度发生降低，基板和打印件之间的强度差异，会导致结合强度降低，所以采用时效热处理的方式进行提高打印件的强度，补偿退火处理损失的强度，缩小打印件和基板之间的强度差异，提高结合强度。
对比例1
一种3D打印铝合金基板和打印件的方法，同实施例1，不同之处在于：
在步骤4中，热处理过程仅仅进行了时效热处理，其抗拉强度为358MPa，屈服强度为220MPa，伸长率为4.85％，硬度为88.4HB。