CN108396203A

CN108396203A - 稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末及其应用

Info

Publication number: CN108396203A
Application number: CN201810421660.5A
Authority: CN
Inventors: 梁立业; 曾献杰; 薛博宇
Original assignee: Shanghai Kang Speed Metal Material Co Ltd
Current assignee: Shanghai Kang Speed Metal Material Co Ltd
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2018-08-14

Abstract

本发明涉及智能制造技术领域，公开了一种稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末及其应用。本发明所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末以质量百分含量计包含：Si 7.5～11.5％，Mg 0.30～0.55％，Er 0.2～0.9％，Zn<0.1％，Cu<0.1％，Mn<0.1％，Fe<0.1％，Ni<0.05％，Pb<0.05％，Sn<0.05％，Be<0.07％，O<0.10％，余量为Al。本发明采用稀土铒元素对AlSi10Mg铝合金粉末进行增强，从而了提高SLM成型零件的强度，实现航空零件的减重，促进SLM技术更充分地在航空航天领域发挥作用。

Description

稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末及其应用

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，特别涉及一种稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末及其应用。

背景技术

近年来，铝合金激光选区熔化技术(简称SLM)快速发展，在航空航天领域中大量应用，在其技术中需要强度高、性能优良的SLM用金属粉末。

现有技术中大多利用传统牌号的AlSi10Mg铝合金材料进行雾化喷粉，以获得SLM用铝合金粉末。这种技术路线简单实用、开发周期短，目前市场上都是以这种技术路线获得的AlSi10Mg铝合金粉末。然而，该种技术路线的缺点是没有考虑到SLM技术的特殊性，使得获得的金属零件没有最大化利用其性能。

此外，在SLM成型工艺过程中，合金元素烧损情况严重。当激光的高能束加载在一个光斑内的粉末上，熔融金属温度瞬间达到3000℃以上，超过了金属元素的汽化温度，此时金属元素会发生汽化、升华等物理反应，而铝元素对激光的吸收较低，使得成型后的金属元素比例发生变化，降低了合金的力学性能。

在这样的技术背景下，传统牌号的AlSi10Mg铝合金材料的性能仍有提升空间。传统材料虽然已经长期使用，性能稳定，但是经历过几十年的发展，有待通过对合金元素比例的改进，进一步提高材料的性能，为航空工业的发展做出贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以显著提高经SLM成型后的产品的力学强度。

本发明的另一个目的在于提供上述稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的应用。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计包含：Si 7.5～11.5％，Mg 0.30～0.55％，Er 0.2～0.9％，Zn<0.1％，Cu<0.1％，Mn<0.1％，Fe<0.1％，Ni<0.05％，Pb<0.05％，Sn<0.05％，Be<0.07％，O<0.10％，余量为Al。

相对于现有技术，本发明的实施方式提供了一种SLM成型过程中使用的稀土铒元素增强AlSi10Mg铝合金粉末，从而提高SLM成型零件的强度约20％(退火态)，使得成型后的零件具有更高的比强度，可实现航空零件的减重，促进SLM技术更充分地在航空航天领域发挥作用。具体来说，本发明的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的突出技术效果来自于如下两个方面：

一、稀土元素的强化机制：稀土元素与铝元素结合能大于其他元素，在本发明的合金粉末中，利用少量的Er元素与Al元素结合形成Al₂Er、Al₃Er等相，添加少量Zr元素促进Al元素从固溶体中析出，结合形成Al₂(Er,Zr)、Al₃(Er,Zr)等相，这些稀土相在SLM的池凝固过程在起到促进形核、钉扎晶界等作用，获得微米级别晶粒度铝合金零件，从而提高零件的强度；另外，弥散分布稀土相对合金中共晶硅组织也有细化作用，添加稀土铒元素的共晶硅组织比不添加稀土的共晶硅组织更为细小，呈细针片状，消除了铸造组织中的球团状共晶组织，改善了共晶组织的形态，提高了零件的强度；另外，稀土相与镁硅相也均对合金起强化作用。

二、对合金性能的优化作用：SLM成型过程中因激光高能量密度引起元素烧蚀，本发明所提供的铝合金粉末材料补充了这部分烧蚀合金元素，使SLM成形后的组织具有良好的性能。

优选地，本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Zr 0.05～0.5％。

优选地，本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Sc 0.05％～0.3％。添加稀土元素Sc(钪)进行复合强化更利于Al₃Sc、Al₃Er等稀土相析出。

优选地，本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Ti 0.08～0.5％。

进一步优选地，本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，粉末的粒度分布为：0～45μm、15～45μm、15～53μm、0～53μm、0～60μm、15～60μm、20～60μm、0～80μm或20～80μm。

本发明的实施方式还提供上述稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末在铝合金激光选区熔化技术中的应用。优选地，所述铝合金激光选区熔化技术用于3D打印成型。由于本发明所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末使用稀土铒元素强化了AlSi10Mg铝合金材料，同时也有效解决了在经SLM成型过程中合金元素烧损的问题，使其适用于航空航天领域各种铝合金零件的3D打印成型、并获得性能优良的铝合金零件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末

在本发明的一些具体实施例中，提供了稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计包含：Si 7.5～11.5％，Mg0.30～0.55％，Er 0.2～0.9％，Zn<0.1％，Cu<0.1％，Mn<0.1％，Fe<0.1％，Ni<0.05％，Pb<0.05％，Sn<0.05％，Be<0.07％，O<0.10％，余量为Al。

在本发明的一些具体实施例中，所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Zr 0.05～0.5％。

在本发明的一些具体实施例中，所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Sc 0.05％～0.3％。

在本发明的一些具体实施例中，所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，以质量百分含量计还包含：Ti 0.08～0.5％。

在本发明的一些具体实施例中，所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的粒度分布为：0～45μm、15～45μm、15～53μm、0～53μm、0～60μm、15～60μm、20～60μm、0～80μm或20～80μm。

下表1为具体实施例1～6中的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的元素含量检测结果；下表2为具体实施例1～6中的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的粒度检测结果。

表1实施例1-6的AlSi10Mg粉末元素含量检测结果

表2实施例1-6的AlSi10Mg粉末粒度检测结果

制备方法

本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末可通过本领域的常规方法制备得到，例如：

(1)使用真空感应精炼设备制备

原料冶炼过程与常规材料相似，根据合金成分确定炉料配比，镁元素、硅元素均不与坩埚发生反应，无需调整成分；依据经验，钛元素含量需增加1.0～2％左右的投料；市售锆、铒元素中间合金的成分比例不固定，根据中间合金的成分比例计算投料即可，根据铒元素的比例，采用真空熔炼炉熔炼，根据合金成分要求。

使用真空感应精炼设备制备粉末，将熔融的铝液导入中间坩埚，调整中间坩埚流出铝液的速度，使用高纯氮气或高纯氩气高速冲击中间坩埚流出的铝液，使液流破碎雾化生成铝粉，冷却后即可出炉。

筛分规定粒度的粉末，使用要求粒度的筛网即可获得要求粒度的粉末。

(2)使用电极感应气雾化设备制备

使用真空或非真空坩埚冶炼原料胚锭。原料冶炼过程与常规材料相似，根据合金成分确定炉料配比，镁元素、硅元素均不与坩埚发生反应，无需调整成分；依据经验，钛元素含量需增加2.0～4％左右的投料；市售锆、铒元素中间合金的成分比例不固定，根据中间合金的成分比例计算投料即可；将熔炼获得的铝液浇筑到模具中，冷却脱模即可合金棒材，尺寸视具体设备要求确定。

使用机加工方法对棒料进行精加工，至尺寸合格。使用电极感应气雾化设备制备粉末，将使用感应线圈熔化棒料，控制加热速度，使用高纯氮气或高纯氩气高速冲击熔化的铝液，使液流破碎雾化生成铝粉，冷却后即可出炉。

(3)使用等离子旋转电极雾化设备制备

使用真空或非真空坩埚冶炼原料胚锭。原料冶炼过程与常规材料相似，根据合金成分确定炉料配比，镁元素、硅元素均不与坩埚发生反应，无需调整成分；依据经验，钛元素含量需增加2.0～4％左右的投料；市售锆、铒元素中间合金的成分比例不固定，根据中间合金的成分比例计算投料即可；将熔炼获得的铝液浇筑到模具中，冷却脱模即可获得棒状原料，尺寸视具体设备要求确定。

使用机加工方法对原料进行精加工，至尺寸合格。使用等离子旋转电极雾化设备制备粉末，使用电机带动棒料高速旋转，利用钨极与棒料间高电压生产等离子炬熔化金属，使用高纯氮气或高纯氩气高速冲击高速旋转中的铝液，使液流破碎雾化生成铝粉，冷却后即可出炉。

检测方法

本发明的实施方式所提供的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末可通过本领域的常规方法进行元素含量的检测，例如：

按GB/T 1480-2012的规定对制得稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末进行粉末典型粒度的检验。按GB/T 19077-2016的规定对实施例1-6制得稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末进行粉末激光粒度的检验。

参照Q/6S 2212.2-2008检测实施例1-6制得稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末的氧含量；参照HB 6731.10-2005检测实施例1-8制得AlSi10Mg粉末材料中Mg、Fe、Cu、Mn、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti的含量；参照HB 6731.12-2005检测实施例1-8制得AlSi10Mg粉末材料中Si的含量。

当然，在保证精度的前提下，也可采用本领域内其他的常规检验方法进行上述检测。

性能测试

将实施例1-6制得的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末用于SLM技术的3D打印：使用CONCEPTLASER XLine 1000R设备进行打印测试，层厚50微米，氮气保护，使用机器默认参数打印。对所得零件产品的性能测试结果见下表3所示：

表3性能测试结果

常规AlSi10Mg粉末打印后所得零件产品，采用240℃保温6小时、炉冷至室温，测试拉伸试验结果为：屈服强度198MPa，抗拉强度341MPa，延伸率8.0％。表3数据表明：在相同热处理条件下，本申请所提供的增强AlSi10Mg铝合金粉末打印所得产品的屈服强度比常规AlSi10Mg铝合金粉末打印所得的产品增加了50％，抗拉强度增加了30％，延伸率基本相当。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，其特征在于，以质量百分含量计包含：Si 7.5～11.5％，Mg 0.30～0.55％，Er 0.2～0.9％，Zn<0.1％，Cu<0.1％，Mn<0.1％，Fe<0.1％，Ni<0.05％，Pb<0.05％，Sn<0.05％，Be<0.07％，O<0.10％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，其特征在于，以质量百分含量计还包含：Zr 0.05～0.5％。

3.根据权利要求1所述的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，其特征在于，以质量百分含量计还包含：Sc 0.05％～0.3％。

4.根据权利要求1所述的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，其特征在于，以质量百分含量计还包含：Ti 0.08～0.5％。

5.根据权利要求1所述的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末，其特征在于，所述粉末的粒度分布为：0～45μm、15～45μm、15～53μm、0～53μm、0～60μm、15～60μm、20～60μm、0～80μm或20～80μm。

6.权利要求1至5中任一项所述的稀土铒元素增强SLM专用AlSi10Mg铝合金粉末在铝合金激光选区熔化技术中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述铝合金激光选区熔化技术用于3D打印成型。