粉末粒径对激光增材制造镁合金的影响研究
镁及镁合金作为目前实际应用最轻的金属材料，其资源丰富，具有密度小、比强度／比刚度高、生物兼容性良好、铸造／切削加工性能良好和电磁屏蔽性能优异等诸多优点，被广泛应用在航空航天、国防军工、生物医疗、汽车工业、数码电子等多个领域。由于镁的活性强，塑性变形能力差，难以成形复杂零件，而传统铸造镁合金往往会造成气孔、疏松、夹渣等缺陷，致使制件合格率低、成本高。选区激光熔化技术的近净成形方式，使得加工制件不受其结构复杂程度的限制，而且生产周期短，特别适合小批量生产高精度的复杂个性化零件。
然而，由于镁合金的特有材料属性，其在成形过程中，与镍基合金、不锈钢、钴铬合金等非活性金属材料相比，产生的黑色烟尘量明显增多，严重影响成形制件的精度和质量。粉末粒度的大小与分布对于研究镁合金成形过程中烟尘的产生是一个重要的方向。
本期文章介绍河北科技大学杨光教授团队关于镁合金粒度分布对成形过程中的烟尘产生和制件的拉伸强度的影响的相关研究，文章内容可以为从事镁合金打印研究的工程师、研究人员提供专业数据。
入选河北省三三三人才工程二层次人选，河北省高等学校百名优秀创新人才支持计划。长期从事增材制造（3D打印）、数字化设计与制造等领域的技术研究与应用。
AZ91D镁合金粉末，粒径45±5μm，粒径分布范围15～60μm。
从1组到5组，粗粉逐渐增加。
采用“称重法”来获取各组实验的烟尘产生量。设计并制作烟尘滤筒，内置双层45μm的滤纸来收集烟尘。在相同的SLM成形工艺条件下，对1#-5#粉末逐一成形相同的试件，并将同一烟尘滤筒放置在成型仓出风道滤口的相同位置，收集整个成形过程中的烟尘；成形完成后小心取下烟尘滤筒，分别称量、记录烟尘滤筒收集烟尘前、后的质量。
在SLM成形过程中，受到高能量密度激光的作用，镁合金粉层熔池处的温度很高，导致部分金属汽化，形成金属蒸汽而脱离熔池，这是合金元素烧损的直接原因。在相同温度下，合金元素的蒸气压越大，其蒸发量就越大，亦即其烧损程度越严重。
在AZ91D镁合金SLM成形过程中，Mg元素的蒸气压远大于Al元素，也大于Zn元素，而Zn元素在AZ91D镁合金中的质量分数只有0.65%，因此在分AZ91D镁合金元素烧损时，可忽略Zn元素的影响，认为Zn元素无损失，并以质量分数比Al/Mg来判定成形过程中产生的烟尘程度。
1#镁合金：成形试件表面大尺寸近圆形孔隙较多，且呈无规则分布状；
3/4#镁合金：成形试件表面有较多的微小圆形孔隙；
5#镁合金：成形试件表面质量较好，其微小圆形孔隙的分布密度较3#和4#低；
2#镁合金：成形试件表面形貌无明显缺陷，相对于其他镁合金粉末成形质量最好。
试件表面存在的圆形孔隙，可能是由于该处粉末颗粒较小，相对激光能量密度大，在SLM成形过程中熔池凝固太快，处于粉末间隙的保护气体和镁合金粉末中低沸点物质成分在高温下汽化形成的气体不能及时排出造成的。
镁合金粉末粒径分布对其SLM成形过程中产生的烟尘量有明显的影响作用，具体表现为粉末中20μm以下的细粉末会显著增加SLM成形过程中的烟尘产生量；在20～60μm粒度分布区间，随着大粒径粉末占比的增加，成形相同制件产生的烟尘量呈现波动性下降的趋势。
筛除20μm以下的细粉末后，成形试件的抗拉强度提高了6%，在20～60μm粒度分布区间内，随着大粒径粉末占比的增加，使得成形试件的抗拉强度有所降低，但这一影响并不显著。
从减少SLM成形过程烟尘产生量以及获得较好的制件抗拉强度和表面质量的角度考虑，优选5#镁合金粉末（粒径分布区间为30～60μm；粒径配比为［30～40μm］: ［40～50μm］: ［50～60μm］=2: 4: 5）进行SLM成形。
镁合金SLM成形过程中产生的烟尘对成形件的质量和性能有较大影响。河北科技大学杨光教授团队所确定的优选粉末分布区间，虽然产生的烟尘量较原始粉末有明显减少，但与其余3组相差并不显著。后续将研究细化粉末粒度分布窗口，开展SLM成形工艺实验，在保证成形件力学性能满足应用要求的基础上，进一步降低SLM成形过程中的烟尘产生量。
来源：王金业, 常志鹏, 岳彦芳, 等. AZ91D镁合金粉末粒度分布对其选区激光熔化成形的影响[J]. 河北工业科技, 2022 (039-001).
