CN104368815A - 一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法 - Google Patents

一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，设计成型零部件的CAD三维模型，转换成可分切的数据格式STL文件，在三维模型的底部建立具有一定高度的支撑体，将三维模型连同支撑体分切成若干层，并对其进行工艺参数设定，将数据及参数导入SLM设备；将密封装置抽真空后充入惰性气体进行气氛保护，将基板固定在可升降的工作台上，送粉系统在基板上均匀铺一层Al-Si合金粉末，根据导入参数激光选择性地扫描相应切层，将基板下降一个层的厚度，在基板上铺一层新的Al-Si合金粉末再扫描直至各层完成。本发明无需模具，材料利用率高，可以提高Al-Si合金的力学性能及降低复杂形状零部件的生产成本。

Description

一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法
技术领域
本发明涉及一种利用选择性激光熔化技术制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
Al-Si合金是产量及用量最大的铸造铝合金，具有耐磨耐侵蚀性好，热膨胀系数低，比强度高，导热性好等优点，这使得Al-Si合金被广泛应用在汽车活塞、发动机组、缸套、轮毂、轴承、轴瓦、曲轴箱等汽车零部件上。Al-Si合金的力学性能主要是由共晶Si在Al基体中的形貌和分布决定的，铸造Al-Si合金组织中通常会存在大量针状或板片状共晶Si，甚至会出现粗大的块状初晶Si，这样的组织会严重地割裂Al基体，降低Al-Si合金的机械性能，尤其是韧性降低显著，切削加工性能恶化。因此，国内外学者纷纷开始研究共晶Si和初晶Si的细化方法，以提高Al-Si合金的力学性能。Al-Si合金通常可以利用变质处理来抑制Si相的生长，变质处理后Al-Si合金组织中Si晶粒变细小，可使Al-Si合金的强度和韧性显著提高。1920年，A·Pacz首先发现了Na能够使铸造Al-Si合金中的共晶Si相发生变质而达到细化的效果，此后，Gweyer、Edwards也进行了研究，确认当Na元素存在于Al-Si合金熔体中时，Na原子以薄膜状存在，由于Na不溶于Al基体中，所以Na会以薄膜状吸附在Si晶体表面，降低Si晶胚在液相中的移动能力，而吸附于Al晶粒表面的Na原子较少，这样就使得Si相生长速度低于Al相，促使Al相形核结晶速度领先于初生Si相，优先生长的Al相会很快将尚未长大的Si晶体包围，从而限制了Si晶体的长大，起到细化晶粒的作用。后来，研究人员还尝试了添加其它元素，如Sr、Ba、Ca、Sb、Y、P、Re等来抑制Al-Si合金中Si相的长大，达到细化晶粒的效果。尽管通过添加碱金属元素及稀土元素对铸造Al-Si合金进行变质处理能够在一定程度上抑制Al-Si合金中Si相的长大，起到细化晶粒、提高力学性能的效果，但是变质处理过程中加入的碱金属元素和稀土元素也会给Al-Si合金的生产制造带来很大的弊端，如：加入Na、Sr等元素会降低Al-Si合金熔体的流动性，影响其铸造性能；碱金属和稀土元素的加入也提高了Al-Si合金的生产成本，引起偏析等缺陷，并且容易造成环境污染。因此，Al-Si合金的变质处理在提高材料力学性能的同时也大大制约了铸造Al-Si合金的大规模生产应用。Al-Si合金还不同于其他合金(如Fe、Ni、W等合金)，其熔炼、浇注过程中极易与氧气发生反应生成Al2O3夹杂物，导致凝固过程中产生夹杂、气孔、偏析等缺陷，从而影响其铸件的致密度。
此外，传统的铸造等成型工艺从铸锭到机加工再到最后的实际零部件，需要多道工序完成，且材料利用率较低，某些复杂零部件的材料利用率仅10％左右，并且铸造过程中对模具的要求极高，对于一些复杂程度高的小型零部件甚至无法用铸造方法来成型。因此，开发一种高效的制备复杂形状高性能Al-Si合金的方法无疑是至关重要的。
发明内容
本发明是针对传统方法制备Al-Si合金存在的问题，提供了一种利用选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法。
本发明采取的技术方案是：
一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，包括步骤如下：
(1)利用计算机设计所需成型零部件的CAD三维模型，并将其转换成可分切的数据格式STL文件，在三维模型的底部建立具有一定高度的支撑体，将三维模型连同支撑体分切成具有一定厚度的若干层，并对其进行工艺参数设定，将数据及参数导入SLM设备；
(2)在SLM设备中，将密封装置抽真空后充入惰性气体进行气氛保护，将基板固定在可升降的工作台上，送粉系统在基板上均匀铺一层Al-Si合金粉末，铺粉厚度20～100μm；
(3)根据导入参数激光选择性地扫描相应切层，工艺参数为：激光器功率80～200W，激光停留时间20～120μs，激光扫描速度200～2000mm/s，激光扫描间距0.05～0.2mm；
(4)将基板下降一个层的厚度，在基板上铺一层新的Al-Si合金粉末；
(5)重复步骤(3)和(4)直至各层完成；
(6)收集成型零部件以外的松散金属粉末，处理后备用，将成型好的零部件从基板上取下。
上述方法中，为了保证成型后的零部件易于从基板上取下及每一层成型后获得最佳的致密化，步骤(1)所述的支撑体高度2～5mm，每个分切层的厚度优选20～100μm。
步骤(2)所述的惰性气体可选N2、Ar、He等，纯度为99.99％以上；所述的Al-Si合金粉末采用惰性气体雾化法制备的Al-Si合金粉末(购置于德国TLS Technik GmbH公司)，其Al-Si合金颗粒如附图1所示呈球形或近球形，直径在20～60μm之间。粉厚度优选与切层厚度一致。
本发明采用的Al-Si合金颗粒呈球形或近球形，直径在20～60μm之间。利用选择性激光熔化技术，通过设定合理的工艺参数(激光功率、激光束扫描速度、激光停留时间、激光扫描间距和铺粉厚度)，对Al-Si合金粉末进行激光快速成形。选择性激光熔化(SLM)的成型过程分为升温和冷却两个阶段：当激光停留在金属粉体的某一点时，该区域由于吸收激光能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，此时，熔融金属处于液相平衡，金属原子可以自由移动，合金元素均匀分布；当激光移动后，由于热源的消失，熔池温度以103K/s以上的速度快速下降。在此过程中，金属原子和合金元素的扩散移动受限，抑制了晶粒的长大和合金元素的偏析，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高材料的强度和韧性。因此可以制备得到晶粒尺寸细小、均匀、稳定的快速凝固合金组织，从而获得力学性能优异的Al-Si合金部件。
本发明中采用惰性气体雾化制备Al-Si合金粉末结合SLM技术制备纳米级球状Si相Al-Si合金，主要优点在于：
(1)采用惰性气体雾化制备的Al-Si合金粉末，其颗粒形貌成球状或近球状，能够提高粉体的流动性，保证每一层的铺粉质量及凝固后的致密度。
(2)SLM技术利用计算机软件将CAD三维模型切成若干层，然后通过计算机程序控制高能激光束有选择地扫描每一层Al-Si合金粉末，并将每一层叠加起来，最终得到完整的实体模型。该成型过程中不需要任何模具，不受零部件的几何形状限制，可以快速加工任意复杂形状的零部件，从而减少或避免零部件在使用过程中的焊接、铆钉等连接工序，缩短了生产周期。
(3)Al-Si合金的SLM成型过程中快速冷却抑制了晶粒的长大及合金元素的偏析，导致Al基体中固溶的合金元素无法析出而均匀分布在基体中，从而获得了晶粒细小，组织均匀的微观结构。
(4)Al-Si合金的SLM工成型过程中高能激光将金属粉末完全熔化形成一个个小的熔池，这样的液相环境下金属原子的迁移速度比固相扩散快得多，有利于合金元素的自由移动和重新分布。由于熔池体积较小，在快速冷却过程中，材料的晶粒尺寸较小，合金元素无法析出起到固溶强化的作用，且熔池内外冷却速度几乎一致，不易产生偏析、气孔、变形等缺陷，可得到力学性能优异的Al-Si合金零部件。
(5)Al-Si合金的SLM成型过程中金属粉末被完全熔化而达到一个液态平衡，能够最大程度地排除气孔，快速冷却能够将这一平衡保持到固相，这样就大大提高了金属部件的致密度，理论上可以得到100％。
(6)制得的Al-Si合金致密度高达98％以上，且成型后Al-Si合金的微观形貌中Si相由100nm左右球状Si颗粒聚集且均匀分布在Al基体周围。
附图说明
图1本发明所采用的惰性气体雾化制备的Al-12Si合金粉体的扫描电镜图片；
图2本发明SLM技术制备的纳米级球状Si相Al-12Si合金的扫描电镜图片；
图3本发明SLM技术制备的纳米级球状Si相Al-10SiMg合金的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
利用SLM技术制备纳米级球状Si相Al-12Si合金。
(1)利用计算机设计所需成型零部件的CAD三维模型，并将其转换成可分切的数据格式(STL文件)。在三维模型的底部建立5mm的支撑体，将三维几何模型连同支撑体分切成50μm的若干层，并对其进行工艺参数设定，最后导入SLM设备。
(2)在SLM设备中，密封装置抽真空后充入Ar(纯度为99.99％以上)进行气氛保护，成形基板固定在可升降的工作台上，送粉系统在基板上均匀铺一层Al-12Si合金粉末。
(3)根据预先设定的工艺参数，激光选择性地扫描相应层横截面的几何形状。具体工艺参数为：激光器功率200W，激光停留时间80μs，激光扫描速度500mm/s，激光扫描间距0.15mm；铺粉厚度50μm。
(4)基板进行活塞运动下降一个层的厚度50μm，铺粉系统在基面上铺一层新的Al-12Si合金粉末。
(5)重复(3)和(4)直至整个程序运行结束。
(6)收集成型零部件以外的松散金属粉末，处理后备用，将成型好的零部件从基板上取下。
由附图2可以看出，SLM技术制备的Al-12Si合金中Si相由100nm左右球状Si颗粒聚集且均匀分布在Al基体周围，且致密度高，无明显气孔或裂纹产生，可以提高Al-12Si合金的力学性能。SLM技术制备的Al-12Si合金和铸造Al-12Si合金的力学性能如下表所示，可见LM技术制备的Al-12Si合金的力学性能明显优于铸造Al-12Si合金。
实施例2
利用SLM技术制备纳米级球状Si相Al-10SiMg合金。
(1)利用计算机设计所需成型零部件的CAD三维模型，并将其转换成可分切的数据格式(STL文件)。在三维模型的底部建立4mm的支撑体，将三维几何模型连同支撑体分切成60μm的若干层，并对其进行工艺参数设定，最后导入SLM设备。
(2)在SLM设备中，密封装置抽真空后充入N2(纯度为99.99％以上)进行气氛保护，成形基板固定在可升降的工作台上，送粉系统在基板上均匀铺一层Al-10SiMg合金粉末。
(3)根据预先设定的工艺参数，激光选择性地扫描相应层横截面的几何形状。具体工艺参数为：激光器功率200W，激光停留时间60μs，激光扫描速度400mm/s，激光扫描间距0.1mm；铺粉厚度60μm。
(4)基板进行活塞运动下降一个层的厚度60μm，铺粉系统在基面上铺一层新的Al-10SiMg合金粉末。
(5)重复(3)和(4)直至整个程序运行结束。
(6)收集成型零部件以外的松散金属粉末，处理后备用，将成型好的零部件从基板上取下。
由附图3可以看出，SLM技术制备的Al-10SiMg合金中Si相也是由100nm左右球状Si颗粒聚集且均匀分布在Al基体周围，且致密度高，无明显气孔或裂纹产生，可以提高Al-10SiMg合金的力学性能。

Claims (7)

1.一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，包括步骤如下：
(1)利用计算机设计所需成型零部件的CAD三维模型，并将其转换成可分切的数据格式STL文件，在三维模型的底部建立具有一定高度的支撑体，将三维模型连同支撑体分切成具有一定厚度的若干层，并对其进行工艺参数设定，将数据及参数导入SLM设备；
(2)在SLM设备中，将密封装置抽真空后充入惰性气体进行气氛保护，将基板固定在可升降的工作台上，送粉系统在基板上均匀铺一层Al-Si合金粉末；
(3)根据导入参数激光选择性地扫描相应切层，工艺参数为：激光器功率80～200W，激光停留时间20～120μs，激光扫描速度200～2000mm/s，激光扫描间距0.05～0.2mm；
(4)将基板下降一个层的厚度，在基板上铺一层新的Al-Si合金粉末；
(5)重复步骤(3)和(4)直至各层完成；
(6)收集成型零部件以外的松散金属粉末，处理后备用，将成型好的零部件从基板上取下。
2.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，步骤(1)所述的每个分切层的厚度选20～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，步骤(1)所述的支撑体高度2～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，步骤(2)所述的Al-Si合金粉末呈球形或近球形，直径在20～60μm之间。
5.根据权利要求4所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，步骤(2)所述的Al-Si合金粉末采用惰性气体雾化法制备。
6.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，步骤(2)铺粉厚度20～100μm。
7.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化制备纳米级球状Si相Al-Si合金的方法，其特征是，铺粉厚度与切层厚度一致。
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