隨著航空科技的迅速發(fā)展，輕量化、高效率、低成本和高分辨率已經成為空間光學系統(tǒng)的發(fā)展方向。這就對光學系統(tǒng)的質量、體積和結構等提出了更高的要求。傳統(tǒng)的設計與制造方式存在工藝路線繁瑣、周期長、成本高以及難以同時滿足輕質和高剛度需求的問題。相比而言，增材制造技術基于離散堆積的思想，將復雜的多維制造變成了簡單的自下而上的二維疊加，降低了設計與制造的復雜程度，特別適用于個性化、輕量化和復雜結構件的一體化快速制造，為靈巧型、輕質、高剛度和高性能光學系統(tǒng)的快速制造提供了解決方案。其主要思想是，基于增材制造高成型自由度優(yōu)勢，采用拓撲優(yōu)化方法對光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，然后對鏡體和基體結構進行一體化成型，以獲得具有足夠高強度和剛度的輕量化光學系統(tǒng)。此外，鏡體和基體結構采用同種材料的整體式方案，還可以避免異種材料結合帶來的熱應力變形等問題，保證了光學系統(tǒng)的長時間運行的穩(wěn)定性。

目前，基于增材制造技術進行輕量化光學系統(tǒng)（金屬反射鏡等）的一體化成型的研究已成為當今光學組件制備領域的前沿研究課題之一。其中，鋁合金（如AlSi10Mg）相較于熔石英、光學玻璃、單晶硅和碳化硅等光學材料，具有價格低廉、易于加工成型以及適合于增材制造工藝的特點，而備受青睞。因此，國內外已開始爭相開展基于鋁合金增材制造技術的光學功能模塊-基體結構的集成化研究，以期獲得輕量化、高強度光學系統(tǒng)的快速制造，并推動其在航空航天、光學遙感等領域的應用。然而，由于工藝特征本身的限制，增材制造金屬材料的表面精度（Ra通常在6-20 μm）遠低于傳統(tǒng)減材加工表面，且難以進一步改善，使得其在對表面精度要求極高的光學、航空測量及遙感等領域的應用受到嚴重限制。因此，要通過增材制造技術直接實現輕量化金屬光學系統(tǒng)結構件（如基體）和功能件（如鏡面）的一體化快速成型，目前仍然需要克服在關鍵功能結構上實現高精密光學面的制造這一關鍵難題。

單點金剛石超精密切削技術基于其微/納米級的去除量，可以實現納米級表面粗糙度零件的加工，是使增材制造金屬材料表面質量達到光學要求的有效手段。因此，融合增材制造技術和超精密加工技術，使用前者進行復雜結構件的一體化精準成型，然后采用后者對關鍵功能表面進行加工升級，是實現高性能復雜結構件和精密功能組件一體化快速成型極具前景的解決方案。然而，由于獨特的自下而上的制造方式和極高的冷卻速率，增材制造金屬零件表現出有別于傳統(tǒng)鑄造和鍛造零件的微觀組織特征和機械性能，例如獨特的熔道和微細網狀微結構（有別于晶界、空隙、夾雜等特征）、強織構以及高屈服強度等。目前，網格狀微結構對超精密加工的影響機理及其亞表面演變等尚不清楚，需要進一步研究。

SLM制造的AlSi10Mg結構及單點金剛石超精密加工金屬凹面鏡

SLM制造的AlSi10Mg結構及單點金剛石超精密加工金屬凹面鏡

近日，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）和新加坡國立大學團隊合作報道了通過耦合激光粉末床熔融增材制造和單點金剛石加工獲得高精度、高強度AlSi10Mg金屬反射鏡的新方法，并研究了增材制造AlSi10Mg合金硅形態(tài)對超精密切削表面質量的影響機制。激光共聚焦和室溫拉伸測試結果表明，直接成型的鋁合金加工表面的粗糙度為~4 nm，比初始表面粗糙度數值降低了3-4個數量級；極限抗拉強度約為490 MPa，遠高于鑄造態(tài)AlSi10Mg合金。分析表明，精細的胞狀微觀結構及其邊界中的納米級硅顆粒以及硅顆粒與鋁基體之間的半共格關系不僅提高了機械強度，而且有效地避免了加工表面損傷的產生。而固溶+時效熱處理過程中形成的大硅顆粒導致加工表面質量惡化，表面粗糙度數值增加為~9 nm，拉伸強度降低至~344 MPa。相關工作以題為“Unique cellular microstructure-enabled hybrid additive and subtractive manufacturing of aluminium alloy mirror with high strength”的研究論文發(fā)表在Journal of Materials Processing Technology。

圖2. 不同后處理下增材制造的AlSi10Mg合金的微觀結構：（a, e）直接成型態(tài)、（b, f）低溫退火態(tài)、（c, g）固溶處理態(tài)和（d, h）固溶+時效處理態(tài)。

圖3. 不同熱處理狀態(tài)下增材制造AlSi10Mg合金的拉伸性能：(a) 應力-應變曲線；(b) 測試結果。

激光粉末床熔融增材制造的AlSi10Mg合金的微觀組織表現為典型的微米級胞狀微結構，單元寬度約為 1.0 μm。極限抗拉強度和屈服強度最高，分別為491.4 ± 9.6 MPa和281.0 ± 30.3MPa。經過低溫退火處理后，蜂窩狀微結構被均勻分布的直徑小于 0.5 μm 的細硅顆粒所取代，極限抗拉強度降低到 309.1 ± 1.5 MPa。在固溶處理中，硅顆粒在鋁基體的隨機位置生長，形成了大尺寸的硬硅顆粒，極限抗拉強度進一步下降到283.5 ± 2.1MPa。而后續(xù)的時效處理對硅顆粒的尺寸、形態(tài)和分布幾乎沒有影響，極限拉伸強度提高到344.4 ± 2.5MPa。

圖4. 超精密加工不同熱處理狀態(tài)下的增材制造AlSi10Mg微溝道的表面形貌：（a, b, c）直接成型態(tài)、（d, e, f）低溫退火態(tài)、（g, h, i）固溶處理態(tài)和（j, k, l）固溶+時效處理態(tài)。

本研究發(fā)現鋁基體中存在的硅顆粒對加工表面的質量有直接的主要影響，而改變機械強度的傳統(tǒng)方法并不能直接提高表面的加工質量。在加工過程中，嵌入鋁基質中的硬硅顆粒往往會沿著較軟的鋁基體被移除或擠壓，從而在加工表面留下缺陷。無后處理AlSi10Mg合金微結構中硅顆粒最小，因此在切削中獲得了最佳的表面質量。然而，經過固溶與時效處理后的AlSi10Mg合金因為其結構中較大的硬硅顆粒在加工時在表面留下了缺陷，導致了最差的表面質量。鏡面加工的實驗結果與正交切削相一致：未熱處理與退火處理后的合金微結構中有更小的硅顆粒，因此其在鏡面加工后具有相對更好的表面質量，分別達到了4.3 nm Sa 與 4.0 nm Sa。而由于硅顆粒在固溶處理時的生長導致了硅顆粒變大，即使經過時效處理后樣品的硬度和強度有所提高，但因其表面粗糙度增加到了9.7 nm Sa，整體的表面質量沒有明顯變化。此外，通過對加工表面的線性輪廓的觀察可以發(fā)現未處理和去應力處理過的樣品線形相對平滑，表明其表面質量更好。而經過固溶和固溶+時效處理的樣品加工表面線性輪廓線出現大量的波峰和波谷。

圖5. 不同熱處理條件下的LPBF制造的蜂窩微結構AlSi10Mg 合金在切削深度為 1 μm 條件下二維和三維表面形貌：（a, b）直接成型態(tài)、（c, d）低溫退火態(tài)、（e, f）固溶處理態(tài)和（g, h）固溶+時效處理態(tài)。

圖6. 不同熱處理狀態(tài)下增材制造AlSi10Mg合金的超精密加工表面：(a)平面鏡面，(b)表面輪廓以及(c)加工的凹面鏡面。

圖7. 切削深度為1 μm時的加工后亞表面的TEM分析結果：(a) BF-TEM 圖像，(b) HADDF 圖像，(c) 相應的 Si 映射，(d) BF-TEM圖像對應于(a)中的區(qū)域d，(e)圖(d)中的DF-TEM圖像，(f)對應于(e)中的區(qū)域f的HR-TEM圖像。

圖8.(a) 超精密加工試驗裝置和表面正交加工實驗示意圖；(b)通過混合增材制造和超精密加工工藝獲得的輕質鏡子。（直接成型態(tài)：AB, 低溫退火態(tài)：SR, 固溶處理態(tài)：ST, 固溶+時效處理態(tài)：SAT)

可以從以下幾個方面解釋獨特的精細蜂窩微結構實現高可加工性的內在機理。首先，由于蜂窩微結構邊界中硅顆粒的離散性，靠近加工表面的富硅區(qū)域在加工過程中可以隨著軟鋁基體的變形而移動，避免了硅邊界與鋁基體的分離。其次，靠近加工表面的大量具有不同取向的納米級硅顆粒顯示出明顯的晶格畸變，這可能提供了一種高度協(xié)調的變形能力，以減少切削引起的應力集中。第三，近似球形的納米級硅相與鋁相之間的半相干關系有利于位錯穿過相界，避免了位錯在相界面堆積而導致的界面斷裂。

總的來說，本文探究了激光粉末床熔融增材制造與超精密加工復合制造高強度輕質鋁合金光學鏡面的可行性，重點分析了增材制造鋁合金獨特的精細蜂窩微結構及其單質硅的形態(tài)對機械性能和超精密切削的影響機制。該研究為采用增材制造技術一體化成型金屬光學鏡提供了理論基礎和技術基礎，促進增材制造技術與超精密加工技術的有機融合，推動高強度、輕量化、一體化金屬光學鏡的工程化應用。

文章地址：

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118095

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