利用激光选区熔化(SLM)技术制备厚度为0.1~0.8mm的AlSi10Mg铝合金薄板以及内腔间隙为0.5mm的中空板，研究了薄壁结构SLM成形的可行性及成形件的力学性能。结果表明：SLM技术能够成形出壁厚0.2mm以上的薄板以及空腔间隙0.5mm的空心板，但厚度0.5，0.6mm的薄板出现空心现象，通过减小光斑尺寸及调整轮廓工艺参数进一步提高了SLM成形薄板的精度，避免出现空心薄板；SLM成形薄板及经T6热处理后的抗拉强度均超过200MPa，0.7mm厚试样的力学性能较好；采用试验用SLM参数能够打印出薄壁、封闭腔散热器产品。

01、试样制备与试验方法

      试验原材料为AlSi10Mg铝合金粉末，形貌如图1所示。可见粉末形貌为近圆形或椭圆形，粒径在15~53μm。

图1 AlSi10Mg铝合金粉末形貌

     使用雷尼绍AM250激光选区熔化设备制备AlSi10Mg铝合金板。基于团队前期研究结果选取工艺参数。首先进行不同厚度实心薄壁板成形可行性试验，共计8片试样。然后采用SLM技术成形中空薄壁板，共计7片试样。最后制备7组薄板室温拉伸试样，试样形状和尺寸如图2所示，设计厚度为0.1~0.7mm，每个厚度下分别成形6根平行试样。通过线切割机将拉伸试样取下，对其表面打磨以去除黏渣等杂质，每组取3根试样进行T6热处理。按照GB/T 228.1—2010，使用Instron万能试验机对成形态试样和热处理态试样进行室温拉伸试验，并与常规厚度(2mm)试样进行对比。激光选区熔化纵向力学性能一般最低，故测试纵向力学性能。

图2 薄壁拉伸试样的形状及尺寸

     对薄板试样截面进行磨抛处理,用Keller溶液腐蚀约20s，利用NOVA navoSEM 450型扫描电子显微镜观察显微组织。

02、试验结果与讨论

2.1薄板SLM成形可行性

     由图3(a)可以看出，0.2~0.8mm厚的AlSi10Mg铝合金薄板均可成形，但0.5、0.6mm厚薄板两侧轮廓发生剥离出现轻微空心现象。此外，0.1mm薄板的实测厚度约为0.2mm，说明试验所用激光选区熔化技术可成形薄板的壁厚最小为0.2mm。间隙为0.5mm的中空薄板亦均可成形，但0.5、0.6mm厚中空薄板两侧板壁同样出现空心现象。

图3 不同设计壁厚下AlSi10Mg铝合金薄板的SLM 成形宏观形貌

2.2、薄壁结构SLM成形原理

     如图4所示，薄板的SLM成形包括轮廓扫描和实体扫描两个步骤，即激光束实际扫描的路径包括轮廓及内部填充实体两部分。轮廓可以多次扫描，此处只分析轮廓扫描一次的情况。图4中d0、h0、h1均可以通过工艺参数进行设置，但受到光斑尺寸限制；理论上光斑尺寸越小，上述参数取值越小。薄板两侧轮廓通常都需要进行扫描，但实体部分视d2大小决定是否扫描。

图4 薄板SLM成形原理示意

     由图5结合成形原理分析可知：当B0不大于0.67mm时，薄板成形过程中激光束只扫描两侧轮廓，但当B0在0.1~0.4mm时，轮廓两道扫描间距可由光点补偿覆盖，两道轮廓可以重叠，薄板为实心；当B0在0.5~0.6mm时，光点补偿不能覆盖轮廓两道扫描间距，轮廓分离，薄板出现间隙；B0为0.7，0.8mm时，激光束开始扫描实体，将薄板填充为实心。由表1可以看出，成形试样的实测壁厚B1与理论壁厚B0相符合。

图5 厚度0.1~0.7mm薄板的SLM成形过程

表1 实心薄壁板的成形尺寸

    综上可知，决定SLM薄板成形的主要参数为d1和h1，两者均由光斑直径决定。理论上，在薄板壁厚不小于粉末尺寸的情况下，SLM薄板成形极限尺寸由d1决定，光斑直径越小，d1越小。通过使用小光斑激光器可以提高SLM技术的精密成形能力；通过变光斑技术，在轮廓区域使用小光斑可以提高精度，在实体区域使用大光斑高功率可以提高成形效率。此外，理论上通过设置使d1=h1，可以避免空心薄板出现的情况。

2.3显微组织

     选取设计壁厚为0.1mm(实际壁厚0.2 mm)的试样进行显微组织分析。根据实验可知SLM成形薄板试样组织致密，不存在孔洞在层间分布的现象；共晶硅相呈短纤维状沿晶界分布，且其表面光滑，无明显棱角。

2.4薄板室温拉伸性能

     由图6可知：0.1~0.7mm设计厚度的SLM成形试样及其经T6热处理后的抗拉强度均超过200MPa，虽然总体上略低于常规厚度试样，但仍具有可观的强度，说明薄壁结构成形件力学性能良好，可满足众多非承力功能器件的使用要求；0.1~0.6mm厚SLM成形试样的强度和伸长率相近，较0.7mm的低，表明SLM过程中扫描实体内部可以在一定程度上提高薄板的强度；T6热处理后薄板试样强度略有降低，塑性得到提高，符合一般的热处理影响规律，T6热处理对薄板零件同样适用。

图6 不同设计厚度SLM成形态及T6热处理态AlSi10Mg铝合金薄板的室温拉伸性能

2.5薄壁封闭腔结构散热器产品试制

     基于上述成形性及力学性能研究，作者对翅片均温板散热器零件进行了一体化打印测试，其三维模型如图7所示。散热器零件SLM成形实物如图8所示，可见零件成形效果良好，内部粉末可通过清粉口清除，表明激光选区熔化技术可应用于薄壁类及中空内腔薄板类产品的研制。

图7 中空内腔薄壁翅片均温板散热器结构示意

图8 中空内腔薄壁翅片均温板散热器SLM成形实物

03、结论

     (1) 试验采用的激光选区熔化工艺可成形壁厚0.2mm以上的AlSi10Mg铝合金薄板以及壁厚0.2mm以上、内腔间隙为0.5mm以上的中空薄壁板；板厚小于0.7mm时由两侧轮廓扫描形成薄板，无实体扫描填充，板厚大于0.7mm时有实体填充；厚度0.5，0.6mm的薄板出现空心现象，通过减小光斑尺寸及调整工艺参数可进一步提高SLM技术成形精度，避免出现空心薄板；采用试验工艺参数可成功打印出薄壁、封闭腔散热器产品。

     (2) SLM成形AlSi10Mg铝合金薄板组织致密，表面光滑的共晶硅相呈短纤维状沿晶界分布；SLM成形拉伸试样及其经T6热处理后的抗拉强度均高于200MPa；T6热处理后试样强度降低、塑性提高，T6热处理适用于该薄板零件。