CN107881385A - 一种铝合金构件的增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金构件的增材制造工艺，包括：将铝合金原料粉末进行铺粉，形成粉末层；对粉末层先进行小能量密度激光扫描再进行大能量密度的激光扫描，形成切片层；所述小能量密度激光扫描的功率为250～300W；所述大能量密度激光扫描的功率为400～450W；在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作，直至得到预设形状的铝合金构件。本发明提供的增材制造工艺通过先采用较小功率激光扫描再采用较大功率激光扫描的两次扫描方法，解决了铝合金反射激光率高、吸收激光能力弱的问题，避免了铝合金激光选区熔化打印过程中的开裂、翘曲、变形和球化的现象，能够获得性能优异的铝合金构件。

Description

一种铝合金构件的增材制造工艺
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种铝合金构件的增材制造工艺。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度高、导热、导电、耐腐蚀等特性，是航空航天、武器装备领域常用的一种轻质结构材料。增材制造技术能够实现变截面、内部复杂流道、精密薄壁件等传统加工技术难以实现的复杂构件的制造，在航空航天、武器装备关键零部件制造上具有广泛的应用前景。
但是，与不锈钢、高温合金、钛合金等其他金属材料相比，铝合金对激光的反射率较高、对激光的吸收率较低、易氧化以及具有较高的导热系数，在3D打印过程中经常发生开裂、翘曲、变形、球化等现象，打印构件存在致密度低、脆化、翘曲、开裂等问题，是增材制造技术中最难打印的材料之一。
铝合金在增材制造中具有独特的技术工艺特点，为了得到优异性能的变形铝合金结构件，满足航空航天、武器装备产品对变形铝合金构件的要求，有必要提出一种适用于铝合金的增材制造工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝合金构件的增材制造工艺，本发明提供的工艺能够获得质量良好的变形铝合金构件。
本发明提供了一种铝合金构件的增材制造工艺，包括：
将铝合金原料粉末进行铺粉，形成粉末层；
对粉末层先进行小能量密度的激光扫描再进行大能量密度的激光扫描，形成切片层；
所述小能量密度激光扫描的功率为250～300W；
所述大能量密度激光扫描的功率为400～450W；
在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作，直至得到预设形状的铝合金构件。
在本发明中，所述铝合金原料粉末的成分优选为7A04铝合金原料粉末，本发明提供的增材制造工艺尤其适用于制备得到7A04变形铝合金。在本发明中，所述铝合金原料粉末的成分中Cu的质量含量优选为1.4～2％，更优选为1.6～1.8％；Mg的质量含量优选为1.8～2.8％，更优选为2～2.5％；Zn的质量含量优选为5～7％，更优选为6％；Mn的质量含量优选为0.2～0.6％，更优选为0.3～0.5％；Cr的质量含量优选为0.1～0.25％，更优选为0.15～0.2％；Ti的质量含量优选≤0.1％；Si的质量含量优选≤0.5％；Fe的质量含量优选≤0.5％。在本发明中，所述铝合金粉末原料中杂质元素的质量含量优选＜0.1％。在本发明中，所述铝合金原料粉末中Al元素的质量百分含量为除去其他元素后的剩余百分含量。
本发明对所述铝合金原料粉末的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的方法制备得到铝合金原料粉末即可，如可采用气体雾化法、离心雾化法、等离子火炬法。在本发明中，所述铝合金原料粉末优选流动性好，以满足激光选区熔化的铺粉要求。在本发明中，所述铝合金原料粉末的粒度优选为15～53μm，更优选为25～45μm，最优选为30～40μm；所述铝合金原料粉末的流动性优选≤70s/50g，更优选为5～60s/50g，最优选为10～50s/50g；所述铝合金原料粉末的休止角优选≤35°，更优选为5～30°，最优选为10～20°。
在本发明中，所述增材制造工艺主要是激光选区熔化工艺，需要对预获得的复杂形状构件进行切片处理，规划激光扫描路径进行线性激光扫描。在本发明中，激光扫描(包括所有激光扫描的操作)过程中的光斑直径优选为50～70μm，更优选为60～65μm。在本发明中，所述切片处理的切片厚度优选为20～30μm，更优选为25μm。在本发明中，所述铺粉即为根据切片处理的形状进行铺粉；所述铺粉的厚度优选为20～30μm，更优选为25微米；所述铺粉的铝合金原料粉末的供粉量优选为铺粉厚度所需粉量的1.5～2倍。在本发明中，优选采用铺粉机构在基板上进行铺粉；所述基板的预热温度优选为150～200℃，更优选为170～180℃。本发明在使用激光选区熔化工艺进行增材制造过程中优选形成室内氩气保护，选区熔化腔室内的氧含量优选低于100ppm，压力优选维持在10～40mbar，更优选为20～30mbar。
在本发明中，得到粉末层后在同一层内进行两次激光扫描，先采用较小的能量密度的激光扫描使铝合金原料粉体进行预热预烧；再采用较大的能量密度的激光扫描使铝合金原料粉末进行熔化。在本发明中，所述粉末层分为轮廓区域，实体区域和支撑区域，所述轮廓区域即为对预得到的铝合金构件进行切片处理形成的切片层的形状轮廓，所述实体区域即为轮廓内部所包围的区域，所述支撑区域即为起到支撑铝合金结构件作用的区域，根据预获得的铝合金结构件的形状不同，支撑区域可能设置在实体区域或轮廓区域外部，也可能设置在实体区域内部。可参看图2，图2即为粉末层中轮廓区域、实体区域和支撑区域的分布示意图。
在本发明中，所述较小的能量密度激光扫描的功率为250～300W，优选为270～280W；所述较大的能量密度激光扫描的功率为350W～400W，优选为370～380W。在本发明中，较小的能量密度激光扫描和较大的能量密度激光扫描的扫描功率指的均为扫描粉末层实体区域的功率。
在本发明中，激光扫描(包括所有激光扫描操作)粉末层轮廓区域的功率优选为150～175W，更优选为160～170W；激光扫描(包括所有激光扫描操作)粉末层支撑区域的功率优选为350～400W，更优选为370～380W。在本发明中，激光扫描(包括所有激光扫描操作)粉末层轮廓区域的速度优选为4000～4200mm/s，更优选为4100mm/s；激光扫描(包括所有激光扫描操作)粉末层实体区域的速度优选为2000～2500mm/s，更优选为2200～2300mm/s；激光扫描(包括所有激光扫描操作)粉末层支撑区域的速度优选为1000～1500mm/s，更优选为1200～1300mm/s。
在本发明中，激光扫描(包括所有激光扫描操作)的扫描间距优选为0.06～0.08mm，更优选为0.07mm。在本发明中，激光扫描(包括所有激光扫描操作)的过程中优选每扫描完一层粉末层或切片层变换一次扫描方向，每次扫描方便变换37～90°，更优选为45～80°，最优选为50～60°。
在本发明中，经过激光扫描粉末层后形成切片层，在切片层表面按照切片处理的每层形状重复上述铺粉和激光扫描的操作，使切片层逐层叠加，直至得到预设形状的铝合金构件。在本发明中，通过激光扫描打印完成铝合金构件后优选将得到的构件在成形腔室内放置3～5小时，更优选为4小时。
在本发明中，优选对激光扫描打印完成后的铝合金产品(铝合金构件)进行热处理，得到性能更好的铝合金构件；所述热处理优选包括去应力退火和固溶时效，本发明优选将铝合金产品先进行去应力退火再进行固溶时效；所述去应力退火的温度优选为400～450℃，更优选为420～430℃；所述去应力退火的时间优选为3～5小时，更优选为4小时；所述去应力退火的冷却方式优选为炉冷至140～160℃再进行空冷；炉冷的温度优选为150℃。在本发明中，所述固溶时效的温度优选为470～500℃，更优选为480～490℃；所述固溶时效的时间优选为3～5小时，更优选为4小时；所述固溶时效的冷却方式优选为水冷。
现有技术对于7A04变形铝合金的增材制造并无相关报道，本发明提供的增材制造的方法通过先采用较小功率的激光扫描再采用较大功率的激光扫描两次扫描工艺，解决了铝合金反射激光率高、吸收激光能力弱的问题，避免了铝合金激光选区熔化打印过程中的开裂、翘曲、变形和球化的现象，尤其适用于7A04变形铝合金的增材制造，本发明提供的增材制造工艺能够获得性能优异的7A04铝合金构件，其力学性能能够达到与锻造工艺制得的构件同等水平。
实验结果表明，采用本发明提供的增材制造工艺获得的7A04铝合金构件的抗拉强度超过550MPa，屈服强度超过430MPa，延伸率超过6％，具有良好的综合力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例使用的7A04铝合金原料粉末的SEM图；
图2为本发明粉末层中轮廓区域、实体区域和支撑区域的分布示意图；
图3为本发明实施例1制得的7A04铝合金构件的图片；
图4为本发明比较例1制得的7A04铝合金构件的表面图片；
图5为本发明比较例2制得的7A04铝合金构件的表面图片；
图6为本发明比较例3制得的7A04铝合金构件的表面图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明以下实施例所用到的7A04铝合金原料粉末为采用等离子旋转雾化法制备得到的，流动性为35s/50g，休止角为33°，其SEM图如图1所示。
实施例1
采用激光选区熔化工艺制备7A04铝合金构件：
对激光选区熔化设备抽真空至80KPa后向成型室内充入高纯Ar气，进行多次抽空充气置换，直至成型腔室氧含量低于100ppm，且压力维持在30mbar启动打印。
对基板进行150℃的预热，通过铺粉机构按照设定的切片层形状在基板上平铺一层厚度为20μm的7A04铝合金原料粉末，得到粉末层；
对粉末层进行激光扫描：
粉末层轮廓区域激光扫描的功率为150W，扫描速度为4000mm/s；
粉末层支撑区域激光扫描的功率为350W，扫描速度为1000mm/s；
粉末层实体区域先进行250W的激光扫描再进行400W的激光扫描，扫描速度为2000mm/s；
激光扫描的光斑直径为50μm，扫描间距为0.06mm；扫描过程中每次变换扫描方向的角度为37°；
对粉末层扫描完成后形成切片层；
在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作制备得到下一层切片层，直至得到预设形状的铝合金产品。
将铝合金产品在成型腔室内放置3小时后取出，连同基板一起进行400℃、保温5小时、炉冷至150℃后空冷的去应力退火；
将去应力退火后的铝合金产品进行470℃、保温5小时、水冷的固溶时效，得到7A04铝合金构件。
本发明实施例1制备得到的7A04铝合金构件无翘曲变形、球化、开裂现象，构件致密度高，如图3所示。
实施例2
采用激光选区熔化工艺制备7A04铝合金构件：
对激光选区熔化设备抽真空至80KPa后向成型室内充入高纯Ar气，进行多次抽空充气置换，直至成型腔室氧含量低于100ppm，且压力维持在30mbar启动打印。
对基板进行170℃的预热，通过铺粉机构按照设定的切片层形状在基板上平铺一层厚度为25μm的7A04铝合金原料粉末，得到粉末层；
对粉末层进行激光扫描：
粉末层轮廓区域激光扫描的功率为160W，扫描速度为4100mm/s；
粉末层支撑区域激光扫描的功率为370W，扫描速度为1200mm/s；
粉末层实体区域先进行270W的激光扫描再进行430W的激光扫描，扫描速度为2200mm/s；
激光扫描的光斑直径为60μm，扫描间距为0.07mm；扫描过程中每次变换扫描方向的角度为60°；
对粉末层扫描完成后形成切片层；
在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作制备得到下一层切片层，直至得到预设形状的铝合金产品。
将铝合金产品在成型腔室内放置4小时后取出，连同基板一起进行435℃、保温4小时、炉冷至150℃后空冷的去应力退火；
将去应力退火后的铝合金产品进行485℃、保温4小时、水冷的固溶时效，得到7A04铝合金构件。
本发明实施例2制备得到的7A04铝合金构件无翘曲变形、球化、开裂现象，构件致密度高。
实施例3
采用激光选区熔化工艺制备7A04铝合金构件：
对激光选区熔化设备抽真空至80KPa后向成型室内充入高纯Ar气，进行多次抽空充气置换，直至成型腔室氧含量低于100ppm，且压力维持在30mbar启动打印。
对基板进行200℃的预热，通过铺粉机构按照设定的切片层形状在基板上平铺一层厚度为30μm的7A04铝合金原料粉末，得到粉末层；
对粉末层进行激光扫描：
粉末层轮廓区域激光扫描的功率为175W，扫描速度为4200mm/s；
粉末层支撑区域激光扫描的功率为400W，扫描速度为1500mm/s；
粉末层实体区域先进行300W的激光扫描再进行450W的激光扫描，扫描速度为2500mm/s；
激光扫描的光斑直径为70μm，扫描间距为0.08mm；扫描过程中每次变换扫描方向的角度为90°；
对粉末层扫描完成后形成切片层；
在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作制备得到下一层切片层，直至得到预设形状的铝合金产品。
将铝合金产品在成型腔室内放置3小时后取出，连同基板一起进行450℃、保温3小时、炉冷至150℃后空冷的去应力退火；
将去应力退火后的铝合金产品进行500℃、保温3小时、水冷的固溶时效，得到7A04铝合金构件。
本发明实施例3制备得到的7A04铝合金构件无翘曲变形、球化、开裂现象，构件致密度高。
比较例1
按照实施例2的方法制备7A04铝合金构件，与实施例2的区别在于，对粉末层实体区域只进行270W的激光扫描。
本发明比较例1制备得到的7A04铝合金构件表面出现未烧透现象，如图4所示。
比较例2
按照实施例2的方法制备7A04铝合金构件，与实施例2的区别在于，对粉末层实体区域只进行430W的激光扫描。
本发明比较例2制备得到的7A04铝合金构件表面有明显的球化现象，如图5所示。
比较例3
按照实施例2的方法制备7A04铝合金构件，与实施例2的区别在于，对粉末层实体区域先进行430W的激光扫描，再进行270W的激光扫描。
本发明比较例3制备得到的7A04铝合金构件表面出现致密度低现象，如图6所示。
实施例4
按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，对本发明实施例和比较例制备得到的7A04铝合金构件进行性能检测，检测结果如表1所示。
表1本发明实施例和比较例制备得到的7A04铝合金构件性能
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 570.3 461.2 6.2
实施例2 562.7 447.9 6.5
实施例3 565.1 449.5 6.7
比较例1 (功率不够烧不透)- - -
比较例2 368.2 202.7 3.5
比较例3 382.9 231.8 4.1
由以上实施例可知，本发明提供了一种铝合金构件的增材制造工艺，包括：将铝合金原料粉末进行铺粉，形成粉末层；对粉末层先进行小能量密度激光扫描再进行大能量密度的激光扫描，形成切片层；所述小能量密度激光扫描的功率为250～300W；所述大能量密度激光扫描的功率为400～450W；在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作，直至得到预设形状的铝合金构件。本发明提供的增材制造工艺通过先采用较小功率激光扫描再采用较大功率激光扫描的两次扫描方法，解决了铝合金反射激光率高、吸收激光能力弱的问题，避免了铝合金激光选区熔化打印过程中的开裂、翘曲、变形和球化的现象，能够获得性能优异的铝合金构件。

Claims (10)

1.一种铝合金构件的增材制造工艺，包括：
将铝合金原料粉末进行铺粉，形成粉末层；
对粉末层先进行小能量密度的激光扫描再进行大能量密度的激光扫描，形成切片层；
所述小能量密度激光扫描的功率为250～300W；
所述大能量密度激光扫描的功率为400～450W；
在切片层表面重复上述铺粉和激光扫描的操作，直至得到预设形状的铝合金构件。
2.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述铝合金原料粉末的成分为：
1.4～2wt％的Cu；
1.8～2.8wt％的Mg；
5～7wt％的Zn；
0.2～0.6wt％的Mn；
0.1～0.25wt％的Cr；
0～0.1wt％的Ti；
0～0.5wt％的Si
0～0.5wt％的Fe；
余量为Al。
3.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述铝合金原料粉末的粒度为15～53μm。
4.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述小能量密度的激光扫描和大能量密度的激光扫描的光斑直径为50～70μm。
5.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述铺粉的厚度为20～30μm。
6.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述小能量密度的激光扫描和大能量密度的激光扫描的速度为2000～2500mm/s。
7.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述小能量密度的激光扫描和大能量密度的激光扫描过程中的扫描间距为0.06～0.08mm。
8.根据权利要求1所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，得到预设形状的铝合金构件后，还包括：
对所述铝合金构件依次进行去应力退火和固溶时效。
9.根据权利要求8所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述去应力退火的温度为400～450℃；
所述去应力退火的时间为3～5小时。
10.根据权利要求8所述的铝合金构件的增材制造工艺，其特征在于，所述固溶时效的温度为470～500℃；
所述固溶时效的时间为3～5小时。
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