多材料构件因兼具多种材料的功能特性，广泛应用于汽车、航空航天和国防等领域[1]．例如，钢/铜构件可将钢高强度与耐腐蚀性能和铜高导热导电性能相结合，可应用于聚变反应堆、保形冷却通道等研究领域[2]．Inconel718/铜合金构件比Inconel718合金的平均热扩散率增加了250%，电导率提高了近300%，因此，可以更好地应用于航空航天尤其是燃气涡轮机和火箭发动机[3]；铜/铝构件兼有铜的优异导电性能及铝的轻质高强等优点，可用于输配电领域[4]．由于传统成形工艺难以制造复杂形状及多尺度结构的多材料构件，因此增材制造技术得到广泛应用，特别是激光选区熔化(SLM)技术，可成形高度复杂的金属构件[5]．文献[6]成形了钢/陶瓷结合的功能梯度多材料构件，获得了完整的分层结构；文献[7]采用多材料SLM成形工艺，系统研究了预混合多梯度Ti6Al4V/IN718构件成形；文献[8]采用SLM技术成形了316SS/IN718/316SS构件，界面处实现了良好的冶金结合，构件具有优异的机械性能；文献[9]获得SLM成形Ti6Al4V/Ti2B构件的工艺参数是激光功率为400～450 W，激光能量密度为0.67~1.50 J/mm；文献[10]采用SLM成形具有双金属周期点阵结构的316 L/CuSn10大尺寸构件．铝合金因其轻质高强和良好的可加工性被广泛应用于航空航天及汽车工业[11-12]，特别是AlSi10Mg具有密度小、较好的耐蚀性、无应力腐蚀破裂倾向等性能[13-16]．在铝合金中添加Sc和Zr可显著提高铝合金强度，促进铝合金的晶粒细化和晶界强化，进一步提高耐腐蚀性和热稳定性[17-19]．因此，将AlSi10Mg与AlMgScZr结合，成形兼具AlSi10Mg易加工性和AlMgScZr高强度、热稳定性多材料构件，在航空航天领域有较好的发展应用前景[20]，但是关于AlMgScZr/AlSi10Mg多材料成形的研究目前未见报道．本研究分析了SLM成形AlMgScZr/AlSi10Mg构件，获得了SLM成形工艺参数对构件的微观组织和宏观性能的影响规律，为AlMgScZr/AlSi10Mg多材料的成形和广泛应用提供参考．1 实验1.1　实验材料本试验中AlMgScZr合金粉末来源于中航迈特粉冶科技(北京)有限公司，AlSi10Mg合金粉末来源于德国Tls Technik Gmbh & Co Spezialpulver Kg公司．AlMgScZr合金粉末粒度为20～63 µm，氧含量为190×10-6(质量分数w)，成分为w(Mg)=4.80，w(Sc)=0.79，w(Zr)=0.30，w(Mn)=0.60，w(Si)=0.03，w(Fe)=0.06，w(Ti)＜0.15，w(O)＜0.15，其余成分为Al．AlSi10Mg合金粉末成分如下：w(Si)=10.20，w(Mg)=0.20，w(Cu)=0.60，w(Mn)=0.35，w(Fe)=0.10，w(Ni)=0.50，w(Zn)=0.40，w(Pb)=0.10，其余成分为Al．两种合金粉末均具有较高的流动性和松装密度，成形前对粉末进行真空干燥处理，保证粉末的干燥和纯净度．采用铝合金基板成形构件，基板预热温度为120 ℃，成形中通入高纯氩气作为保护气以保证成形腔中氧含量低于1×10-4．1.2　实验设备采用武汉华科三维科技有限公司生产的HK M125工业级激光选区熔化设备开展SLM成形实验，激光器为单模光纤激光器，功率为500 W，采用动态聚焦激光振镜扫描系统扫描，扫描速率为8 m/s，分层厚度范围为0.02～0.10 mm，当打印的样品的长度L≤100 mm时成形精度为±0.1 mm，当L＞100 mm时成形精度为±0.1% L，成形尺寸为125 mm×125 mm×150 mm．1.3　实验方法1.3.1　AlMgScZr参数优化方法激光体能量密度Ev=P/(Vsdt)，其中：P为激光功率；Vs为扫描速率；d为扫描间距；t为粉末层厚．本研究选取Ev=115 J/mm3成形块体构件，采用激光功率分别为200，300，400 W，扫描速率分别为200，300，400 mm/s，扫描间距为0.17 mm和层厚为0.05 mm的工艺参数窗口优化构件，块体尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，扫描策略为每层旋转67°，共9组参数组合，其激光体能量密度结果见表1．10.13245/j.hust.211204.T001表1激光体能量密度参数组号功率/W扫描速率/(mm•s-1)能量密度/(J•mm-3)1200200117.6220030078.4320040058.84300200176.55300300117.6630040088.27400200235.38400300159.99400400117.61.3.2　AlMgScZr/AlSi10Mg多材料工艺优化方法成形致密的AlMgScZr合金后，进一步进行AlMgScZr与AlSi10Mg多材料结合参数优化实验．多材料成形顺序为：先在铝合金基板上成形10 mm×10 mm×3 mm的AlSi10Mg，再在AlSi10Mg上面成形10 mm×10 mm×3 mm的AlMgScZr合金，AlMgScZr/AlSi10Mg多材料成形示意图如图1所示．10.13245/j.hust.211204.F001图1AlMgScZr/AlSi10Mg多材料成形示意图优化AlMgScZr/AlSi10Mg多材料成形共设置九组参数，激光功率分别为200，300，400 W，扫描速率分别为200，300，400 mm/s，扫描间距为0.17 mm，单层层厚为0.05 mm．成形AlSi10Mg构件的工艺参数如下：激光功率为350 W，扫描速率为1 150 mm/s，扫描间距为0.17 mm，层厚为0.05 mm．1.3.3　测试方法采用SLM成形的2个10 mm×10 mm×6 mm的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件，依据阿基米德原理测得其密度．对构件进行打磨、抛光，用成分为HF (1.0 mL)+HCl (1.5 mL)+HNO3(2.5 mL)和蒸馏水(95 mL)的腐蚀液腐蚀7 s，制备金相试样．在Olympus BX60型光学显微镜下观察多材料构件界面结合处的熔池形貌、成形缺陷及界面冶金结合情况．使用FEI Sirion Quanta 200型扫描电子显微镜观察构件界面结合区域组织形貌．采用能谱仪(EDS)进行界面结合区域元素扫描分析，确定金相组织类型及过渡区元素扩散情况．使用HV-1000型数显显微硬度仪，测试构件的显微硬度，试验力为9.8 N，保压时间为10 s，取多材料界面结合区域附近连续10个点测试．三点弯曲实验在Zwick/Roell Z020型万能试验机上进行，其中加载速率为1 mm/min．测试构件长80 mm，宽10 mm，AlMgScZr和AlSi10Mg厚度各5 mm拉伸构件(水平和竖直两种结合形式的拉伸构件)，夹头位移速率为1 mm/min，测试设备为美国Instron公司生产的ElectroPlus E1000型电子动静态疲劳试验机．2 结果与分析2.1　AlMgScZr/AlSi10Mg工艺优化根据构件打印效果及致密度，可以确定激光功率400 W，扫描速率分别为300 mm/s和400 mm/s的两组参数能成形出满足要求的AlMgScZr合金．在AlMgScZr合金致密的情况下，进行AlMgScZr与AlSi10Mg多材料结合成形实验，多材料结合实验结果如图2所示．10.13245/j.hust.211204.F002图2多材料结合不同工艺参数的样品从图2(a)可以看出，激光功率分别为200 W和300 W的6组参数在成形AlMgScZr构件时，均因与AlSi10Mg构件结合不好而影响后续铺粉和成形，实验中止；而激光功率400 W对应的3个参数组合则能够最终成形出多材料构件．结合图2(b)和(c)，两种铝合金材料界面结合致密无开裂，熔合线平直．由此得出AlMgScZr/AlSi10Mg多材料最优成形工艺参数为：激光功率400 W，扫描速率400 mm/s，即体能量密度为117.6 J/mm3．成形的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件及测试构件如图3所示．10.13245/j.hust.211204.F003图3多材料测试构件2.2　微观组织形貌图4为SLM成形的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件在光镜下的形貌，可以看出SLM成形AlSi10Mg材料致密度较高，因而成形质量较好；而成形的AlMgScZr材料孔隙度较大，界面结合区域的孔隙度介于两者之间． 10.13245/j.hust.211204.F004图4AlMgScZr/AlSi10Mg多材料光镜图图5和图6为AlMgScZr/AlSi10Mg多材料界面元素分布和扩散的能谱仪(EDS)扫描结果．线扫区域约为600 µm，其中Sc和Zr元素为AlMgScZr合金中的元素，面扫区域约为1 mm．线扫结果表明界面两端的Al和Si含量突变，且在AlSi10Mg合金一侧发现少量的Sc和Zr元素，证明存在一定程度的元素扩散．10.13245/j.hust.211204.F005图5AlMgScZr/AlSi10Mg界面过渡区域元素线扫分析10.13245/j.hust.211204.F006图6AlMgScZr/AlSi10Mg界面过渡区域元素面扫分析在结合区域，两者在初始状态时均匀混合，且两种粉末的粒径较为接近．在高温熔融过程中，会出现元素由含量高一边向含量低的一边扩散[20-21]，但受SLM成形过程中冷却速率极高和扩散时间极短的影响，两种合金中元素扩散量较少．2.3　机械性能图7为AlMgScZr/AlSi10Mg多材料界面结合区域和单一材料区域的硬度变化，每个区域选择多个点取平均值，相对距离为D．AlMgScZr单材料区域的维氏硬度(HV)为103.7，界面结合区域的维氏硬度为98.3，AlSi10Mg单材料区域的维氏硬度约为106.0．可以看出AlMgScZr的显微硬度略低于AlSi10Mg，结合区域的显微硬度明显低于左右两侧单材料的显微硬度，这可能是因为两种材料在SLM复杂的热循环机制下溶质相互扩散并产生冶金结合，形成软弱的中间金属沉淀相[9，22-23]．10.13245/j.hust.211204.F007图7三个区域的维氏硬度①—AlMgScZr；②—结合区域；③—AlSi10Mg．图8为构件三点弯曲应力(σ)-应变(ε)曲线．SLM成形AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件弯曲强度为698 MPa，弯曲模量为2.70 GPa．根据图8的结果可知：随机选取的两个构件的应力-应变曲线变化趋势相近，表明本研究优化的工艺窗口所成形的构件力学性能稳定；随着载荷的增加，构件经历表面应力释放、弹性变形、塑性变形后，达到最大弯曲应力时构件下表面产生裂纹，随着裂纹的扩展构件断裂．10.13245/j.hust.211204.F008图8构件三点弯曲应力-应变曲线在弯曲开始阶段，两个构件均表现为典型的表面应力释放，这主要是因为SLM成形的构件表面会形成应力强化区，因此在加载初期构件的弯曲强度得到了提升．值得注意的是，构件在达到最大弯曲强度前，两材料间的界面过渡层并未发生破坏，表明SLM成形的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件具有较好的界面结合强度．随着应力的增大，构件逐渐屈服，曲线渐渐变平，当达到730 MPa时，构件完全屈服，最大应变为13.95%．图9和图10为SLM成形的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料在常温下的拉伸应力-延伸率(δ)曲线．从图9可知：AlMgScZr/AlSi10Mg多材料水平结合的4个构件的极限抗拉强度最高可达到313.1 MPa，延伸率为4.69%，屈服时应变为2.31%．10.13245/j.hust.211204.F009图9水平结合构件的应力-延伸率曲线10.13245/j.hust.211204.F010图10竖直结合构件的应力-延伸率曲线AlMgScZr/AlSi10Mg多材料竖直结合的4个构件的极限抗拉强度最高可达到228.94 MPa，延伸率为3.75%，屈服时应变为1.96%．由此可知SLM成形的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料水平结合构件比竖直结合构件的强度和延伸率更高，这与多材料界面结合面积的大小密切相关，因为水平结合时界面的接触面积更大，所以强度更高．文献[24-25]的研究中有同样的结论，SLM成形取向和扫描策略影响构件的织构和显微组织，从而影响抗拉强度、延展性等。3 结论本研究通过优化SLM成形时的激光功率和扫描速率两个关键参数，获得了最优的成形工艺窗口，成形了界面高强结合的AlMgScZr/AlSi10Mg多材料构件，分析了界面结合区域的冶金缺陷、元素扩散和力学性能，得到如下结论：a. AlMgScZr/AlSi10Mg多材料最优成形参数为激光功率400 W，扫描速率400 mm/s，即体能量密度为117.6 J/mm3；b. AlMgScZr/AlSi10Mg多材料界面存在少量的Sc，Zr元素从AlMgScZr一侧扩散至AlSi10Mg一侧，证明多材料界面产生了冶金结合；c. AlMgScZr/AlSi10Mg多材料界面结合强度较高，特别是多材料水平界面结合的构件具有313.1 MPa的抗拉强度和4.69%的延伸率．