铝硅系铸造铝合金，如铸铝104，具有轻质、高强、易成型等优点，因此可以成型形状复杂的铸件，可以作为气缸体盖、水冷与发动机曲轴箱等结构件的理想材料，而且也广泛用于制作导弹、卫星与航天飞行器等形状复杂的构件[1]。铸造铝合金成型时需要设计并制造复杂的模具，并且需要经过多道工序[2]，成型周期较长。另外，不同工艺条件下获得的铸造铝合金件性能差异较大，限制了其在航空航天领域的发展[3]。

我不再说什么，愤恨地离开她的办公室。晚上，有人对公司不景气产生了怀疑，骂付玉是一只鸡，还说自己不见兔子不撒鹰，是把她睡了之后，才加入她的团队。另外几个男人，也都说把付玉给睡了。要是以往，谁这么侮辱付玉，我会毫不犹豫地跟他拼命，这次，我有些无动于衷。一个大黄牙烟鬼，是个农村来的老光棍，他说，我花了一万块钱，日了付玉，这一万块挣不回来，也值了。小伙子，你是个大学生，好好的大学不读，怎么掺合这屌事？你日付玉没，如果连点腥气都没沾上，这亏可吃大了。我实在听不下去他这样侮辱付玉，刚要下床揍他，门被咣当一声踢开了，几个警察闯进来。没人敢反抗，我们一起进了派出所。

三维打印技术是一种基于分层离散、材料堆积和数控成型的新型成型技术，是目前工业领域最具发展前景的制造技术之一[4—7]。金属的三维打印技术具有快速一体化成型的优点，可以制作尺寸精度高、表面质量好、力学性能优异的复杂形状结构件[8]。在铝硅合金的应用和生产领域，三维打印技术已成为替代传统铸造成型方法的一种新工艺。

铝硅合金成型后，通常需要对其进行表面导电氧化处理。通过表面处理，可以增加合金抵抗腐蚀的能力并提高涂层在合金表面的附着能力[9]。表面导电氧化处理是铝合金常用的表面处理方式之一。表面处理转换膜的质量一方面与处理工艺有关，另一方面与铝合金制件本身的成型方式以及表面质量密切相关[10]，因此，有必要研究三维打印成型铝硅合金的表面质量，并考察三维打印方法对制件表面导电氧化膜层质量的影响，为铝硅合金成型后的应用提供指导。

文中首先采用铸铝104粉末进行三维打印，制作出铝硅合金制件，测试了打印成型后制件的力学性能，并与传统的铸铝104铸态性能进行对比分析；然后分别对打印成型的铝硅合金平面试样与弧面试样进行表面导电氧化处理，测试处理前后打印制件的表面质量，并分析了转化膜的微观结构对于三维打印铝硅合金制件后续应用的影响。

AlSi10Mg打印制件表面粗糙度的测试位置见图2。测试时，取样长度 l为 2.5 mm，评定长度 5l为12.5 mm，即评定长度是取样长度的5倍。表面粗糙度的测试结果见表 4。经计算，AlSi10Mg打印制件表面处理前，平面样品的表面粗糙度 Ra平均值为1.6 μm，标准差为 0.3 μm；弧面样品的表面粗糙度Ra平均值为 4.2 μm，标准差为 1.1 μm。AlSi10Mg打印制件表面处理后平面样品的表面粗糙度Ra平均值为1.1 μm，标准差为0.6 μm；弧面样品的表面粗糙度Ra平均值为2.7 μm，标准差为1.3 μm。

1 材料与实验方法

三维打印AlSi10Mg制件的抗拉强度见表3，表中同时给出了GB/T 1173—1995中规定的铸铝104在T6状态下的性能要求，并且给出了Al9Si0.45Mg铸造铝合金典型的拉伸性能[12]。结果表明，三维打印铝合金的抗拉强度可以满足国标的要求，其强度比经过热处理之后的铸造铝合金高。另外，将结果与德国EOS公司采用SLM技术制备的AlSi10Mg合金的典型拉伸性能比较[13]，所得抗拉强度相差不大。三维打印成型铝硅合金制件的抗拉强度明显大于铸造成型的相应铝硅合金，其主要原因是粉末状的合金料在熔化成型时使铝合金晶粒细化，且晶粒的细小程度远远超过铸态组织与退火组织。

2 结果以及讨论

2.1 宏观性能

三维打印AlSi10Mg制件经表面化学氧化处理后的表面微观形貌见图3。平面样品表面的铬酸盐转化膜均匀分布有大量裂纹，裂纹宽度为800 nm～1 μm。裂纹将铬酸盐转化膜割裂，形成尺寸均匀的岛状结构，岛状结构的尺寸在1～2 μm之间。表面化学氧化处理的目的之一是提高铝合金抵抗腐蚀的能力，裂纹破坏铬酸盐转化膜的完整性，减弱了制件的抗腐蚀能力。当利用表面转化膜提高涂层附着力时，均匀分布的微细裂纹形成的微纳结构可能有利于形成机械互锁。若对铝合金制件进行涂装，则可以在一定程度上增加防腐涂层在铝合金表面的附着力。采用相同工艺，对铸态铝合金采用表面化学氧化处理时，转化膜均匀、致密且完整[14]。三维打印铝合金样品表面化学氧化处理后出现裂纹的机制及其对制件表面涂层附着力的影响，将在后续研究工作中进行详细阐述。

 

表1 AlSi10Mg合金粉末、铝合金制件与铸铝104的成分（质量分数）Tab.1 Component of AlSi10Mg alloy powder, Al alloy structure, and cast Al 104 (mass fraction) %

  

材料 Si Mg Mn 杂质 Al粉末 9.80 0.40 0.0034 0.2（主要为稀土元素） 余量AlSi10Mg打印铝硅合金制件 7.72 0.93 0 0.93（主要为O） 余量铸铝104 8.0～10.5 0.17～0.35 0.2～0.5 <1 余量

三维打印铝合金制件的密度测试结果见表2。纯铝的密度为2.702 g/cm3。铸铝104由于加入了质量分数为 8.0%～10.5%的硅元素，其密度略小于纯铝的密度。尺寸为40 mm×150 mm×7.32 mm（对表面为弧面的样品，厚度为平均值）的典型三维打印 AlSi10Mg制件密度测量结果为2.58 g/cm3，比相近成分的铸铝104块体材料密度稍低。为分析铝合金制件密度的均匀性，在上述典型制件上选取3个不同位置，分别切割获得尺寸为40 mm×25 mm×(6～12)mm的样品，测量各个样品的密度，结果见表2。整体而言，三维打印的AlSi10Mg制件的密度比体材料稍低，说明其组织致密度比体材料稍差，且打印制件不同位置的密度也有所不同，标准差为0.08 g/cm3。

实验使用的三维打印机为EOSINT M280金属粉末烧结系统（德国EOS有限公司），采用激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术，以粒径为15～45 μm的AlSi10Mg粉末（铸铝104，西安铂力特增材技术股份有限公司）为原料，打印制备铝硅合金制件。采用厦门群隆仪器有限公司生产的全自动电子密度计DX-300测量铝硅合金制件的密度。打印制件的拉伸强度由美特斯公司生产的型号为CMT5105的拉伸试验机测量，测试标准依据 GB/T 228.1—2002进行。由山东中科普锐检测技术有限公司生产的IPRESR200A表面粗糙度仪，测试铝硅合金打印制件的表面粗糙度。铝硅合金成型之后进行了表面导电氧化处理，所用溶液为含有铬酐的酸性溶液，参考的标准为QJ 450B—2005与QJ/Z 120—83。采用德国蔡司VEGA II SBH扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)观察铝合金的表面微观形貌，成分由SEM自带能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)测试。

 

表2 三维打印铝合金、铸铝104与纯铝的密度Tab.2 Density of 3D printed Al alloy,cast Al 104 and pure Al

  

测量样品 质量/g 体积/cm3 密度/(g·cm−3)平均值/(g·cm−3)标准差/(g·cm−3)典型制件 113.460 43.895 2.58位置1 19.678 7.778 2.53位置2 19.675 7.309 2.69 0.08位置3 19.150 7.241 2.64铸铝104 2.66纯铝 2.702 2.62

 

表3 三维打印铝合金和铸造铝合金的抗拉强度Tab.3 Tensile strength of 3D printed Al alloy and cast Al alloy

  

样品类型 抗拉强度/MPa 处理方式ZAlSi9Mg铸铝104[5] 225 T6铸铝 Al9Si0.45Mg[11] 350±2 T6三维打印AlSi10Mg[12] 440～480 沉积态文中的三维打印AlSi10Mg制件 440 −

  

图1 表面导电氧化处理前后的铝合金样品Fig.1 Printed AlSi10Mg samples before and after surface conductive oxidation treatment

2.2 表面质量与微观形貌

庭院里面最左侧，是塔尔伯特·莱斯（Talbot Rice）画廊的入口，这里经常展出艺术家的画作，为旧学院增添了浓厚的艺术气息。

三维打印铝合金制件的表面形状与表面质量会对表面导电氧化处理效果产生影响[13]。为研究不同表面曲率条件下，制件表面导电氧化处理的效果差异，分别打印制备了具有弧面和平面表面的样品，测试表面处理前后打印制件的表面粗糙度。测试使用的AlSi10Mg打印样品见图1。图1a与1b是表面处理之前的AlSi10Mg打印样品，表面形状分别为平面和弧面，样品表面呈均匀的银白色。图1c与1d是表面处理之后的AlSi10Mg打印样品，其表面形状分别为平面与弧面，样品表面呈均匀的金黄色。样品经导电氧化处理后，表面未出现水迹、触痕及颜色不均匀的区域等宏观缺陷。图1d中的插图给出相应样品上表面（弧面）的截面形貌。

地膜综合利用和污染治理是一项系统工程，影响因素多，涉及面广，在实际工作中应当统筹推进地膜推广应用和残膜回收利用。

  

图2 表面粗糙度测量位置及测试方向Fig.2 Position and test direction of surface roughness measurements

 

表4 表面粗糙度的测试结果Tab.4 Test results of surface roughness measurements

  

样品条件及测量方向 平面表面 弧面表面1.3 1.8 1.7 4.0 3.7 4.1导电氧化处理前横向测试各位置Ra/μm 1.2 1.4 1.5 4.5 2.7 2.3 1.5 1.1 1.0 6.9 4.8 4.0纵向测试各位置Ra/μm 2.0 1.9 1.8 4.2 6.6 4.3 1.9 1.9 1.9 4.6 3.1 3.4 1.8 1.7 1.8 4.0 3.7 4.7 0.8 0.6 0.3 1.1 1.8 1.6导电氧化处理后横向测试各位置Ra/μm 0.6 0.7 0.4 2.9 1.7 1.9 1.6 0.6 0.4 1.0 2.1 1.0纵向测试各位置Ra/μm 2.2 2.0 1.0 2.3 3.4 4.7 1.9 1.7 1.4 3.1 3.8 3.6 1.9 1.4 0.6 4.6 4.5 3.6

  

图3 三维打印铝合金样品经导电氧化处理后的表面SEM照片Fig.3 SEM images of 3D printed AlSi10Mg samples after the surface conductive oxidation treatment

实验中，AlSi10Mg粉末、打印铝硅合金制件以及铸铝 104的成分见表 1。打印所使用的 AlSi10Mg合金粉末成分与铸铝104的成分非常接近。铝硅合金中的 Si元素可以增加熔融合金的流动性，有利于成型形状复杂的结构件。在采用SLM技术进行三维打印的过程中，铝合金粉末熔融变成液态。由于流动性好，更加容易形成致密的组织，从而获得优异的性能。成分测试结果表明，成型后的制件中材料存在少量氧化。

弧面样品表面的铬酸盐转化膜也存在类似结构，但是裂纹形成的岛状结构大小不一，尺寸在2～10 μm之间。这些岛状结构在整个表面的分布也不均匀，局部区域甚至没有观察到裂纹的出现，见图 3c。整体而言，弧面样品表面出现的裂纹数量和总面积比平面样品少，但分布极不均匀。平面样品与弧面样品之间的这种表面结构差异是表面形状（尤其是表面曲率的变化）、表面粗糙度以及打印 AlSi10Mg制件本身的力学性能共同作用的结果。

两个月后，乔振宇有个几年未见在外地供职的老同学携夫人来郑州旅游，乔振宇是个热情好客的人，立刻兴冲冲约了几个当年要好的老同学携夫人搞个家庭聚会。

3 结论

1)采用SLM三维打印成型的AlSi10Mg制件与传统铸造方法成型的铝硅合金制件相比，密度略小，但拉伸强度大，达到440 MPa，具有较高的机械性能。

2)采用SLM三维打印成型的AlSi10Mg制件经过表面氧化处理后，在转化膜层中出现裂纹，与铸造铝合金经过同样处理后得到的表面形貌不同。三维打印成型的AlSi10Mg制件表面转化膜层的微观形貌与制件本身的表面曲率有关。制件表面为弧面时，导电氧化膜呈尺寸及分布都不均匀的岛状结构；而当制件表面为平面时，导电氧化膜呈尺寸为 1～2 μm，且分布均匀的岛状结构。

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