CN109014182A - 增材制造用7000系铝合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造用粉末制备的技术领域，具体公开一种增材制造用7000系铝合金粉末及其制备方法。所述的增材制造用7000系铝合金粉末包含如下质量百分比的组分：铜1‑3％，镁1‑3％，锌5‑7％，钛6‑12％，碳化硼1‑6％，余量为铝。通过优化铜、镁、锌的含量，并在此基础上加入钛元素和碳化硼，使得制备的7000系铝合金粉末在制备过程中经过周期性的熔化、凝固时，不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效改善了合金粉末的打印性能，使得合金粉末适用于增材制造，且打印零部件具有优异的力学性能，且不需要额外加入其它的增强元素，即可达到优异的力学性能，降低了生产成本，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造用粉末制备的技术领域，尤其涉及一种增材制造用7000系铝合金粉末及其制备方法。
背景技术
增材制造是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，其最大优势是快速高效制备结构复杂、原材料附加值高的产品，在航空领域具有广阔的应用前景。
7000系高强度铝合金为Al-Zn-Mg-Cu合金，属于超高强变形铝合金，由于既有较高的抗拉强度，又能保持较高的韧性和耐腐蚀性，广泛的应用于航空、航天工业等领域。但是，目前在航空领域应用广泛的7000系高强铝合金的增材制造存在以下问题：采用的7000系铝合金成分粉末在增材制造过程中，周期性的熔化、凝固容易形成较大柱状晶和周期性热裂纹，影响零件的力学性能；若采用7000系铝合金丝材，由于7000系铝合金比强度高使得丝状原材料制备困难，原料成本较高。这些问题大大限制了7000系铝合金在航空零部件的增材制造领域中的应用。
发明内容
针对现有的7000系铝合金粉末在增材制造过程中，周期性的熔化、凝固导致材料形成较大柱状晶和周期性热裂纹，使得制备的零部件的力学性能较差的问题，本发明提供一种增材制造用7000系铝合金粉末及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜1-3％，镁1-3％，锌5-7％，钛6-12％，碳化硼1-6％，余量为铝。
相对于现有技术，本发明提供的增材制造用7000系铝合金粉末，通过优化铜、镁、锌的含量，并在此基础上加入钛元素和碳化硼，使得制备的7000系铝合金粉末在制备过程中经过周期性的熔化、凝固时，不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效改善了合金粉末的打印性能，使得合金粉末适用于增材制造，且打印零部件具有优异的力学性能，且不需要额外加入其它的增强元素，即可达到优异的力学性能，降低了生产成本，具有广阔的应用前景。
本发明提供的增材制造用7000系铝合金粉末中加入的钛元素和碳化硼，可在制备过程中与Al元素发生反应，生成TiB2和TiC增强颗粒，反应过程中不会产生其他杂质，尽量减少了合金中其它夹杂物的生成。由于TiB2和TiC增强颗粒是在铝合金基体中原位反应生成的，因此与铝合金基体具有良好的界面结合和润湿性，同时TiB2和TiC与α-Al晶格错配度δ较小，能够作为α-Al有效的异质形核核心，从而起到细化晶粒的作用。
优选的，所述的增材制造用7000系铝合金粉末包含如下质量百分比的组分：铜1.5-2.5％，镁1.8-2.4％，锌5.2-6.5％，钛6.1-8.5％，碳化硼1.5-3.5％，余量为铝。
更优选的，所述的增材制造用7000系铝合金粉末包含如下质量百分比的组分：铜2.2％，镁2.1％，锌5.5％，钛6.5％，碳化硼2.2％，余量为铝。
本发明还提供一种增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分进行球磨混合，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末进行雾化制粉，筛分，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
本发明提供的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法操作简单，产品制备成本低，可以批量化工业生产。
优选的，步骤一中，球磨时，球料比为3-6:1。
优选的，步骤一中，球磨时，球磨转速为400-500rpm，球磨时间3-4h。
通过上述球磨工艺，可以使得球磨后的粉体较为圆整且均匀，有利于后续材料烧结的各项性能。
优选的，步骤二中，采用氩气雾化法进行雾化制粉。
优选的，所述氩气雾化法进行雾化制粉时，氩气压力为4-8MPa，
通过上述氩气雾化工艺，使得制备的合金粉末具有较高的细粉收得率，小于100μm的粉末达95％以上，且粉末中的含氧量较低，有利于粉末内部组织的均匀性，进而提高粉末高温合金构件性能的提高。
通过对制备工艺进行优化，使得通过上述制备方法制成的铝合金增材制造用粉末球形度高，球形率大于95％，粒径在20±15μm范围内，粒径分布窄，有利于提高增材制造过程中粉末的流动性，可有效起到降低增材制造零部件成分偏析的作用，提高零部件的性能。且在制备过程中Al、Ti和B4C粉末发生化学反应生成的TiB2和TiC增强颗粒，在增材制造过程中能起到等轴晶形核和晶粒细化的作用，通过上述制备方法制备的合金的大部分晶粒为等轴晶粒，其晶粒平均尺寸为50μm。通过成分的优化以及制备工艺的优化，使得本发明制备的增材制造用7000系铝合金材料具有较高的抗拉强度和延伸率。
本发明还提供了增材制造用7000系铝合金粉末，所述增材制造用7000系铝合金粉末由上述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法制成。
附图说明
图1为实施例5中制备得到的增材制造用7000系铝合金粉末的金相图；
图2为实施例5中制备得到的增材制造用7000系铝合金粉末的SEM照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜1％，镁3％，锌7％，钛8.5％，碳化硼3.5％，铝77％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程为：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分放入球磨机中混合均匀，球磨机混料时，球料比为3:1，球磨转速为400rpm，球磨时间3h，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至930℃，使用氩气保护下进行雾化制粉，雾化气压为7MPa，然后进行根据粒径进行筛分，真空包装，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
实施例2
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜2.5％，镁1％，锌5.2％，钛12％，碳化硼1.5％，铝77.8％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程为：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分放入球磨机中混合均匀，球磨机混料时，球料比为6:1，球磨转速为450rpm，球磨时间4h，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至900℃，使用氩气保护下进行雾化制粉，雾化气压为4MPa，然后进行根据粒径进行筛分，真空包装，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
实施例3
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜1.5％，镁1.8％，锌5％，钛6.1％，碳化硼6％，铝79.6％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程为：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分放入球磨机中混合均匀，球磨机混料时，球料比为5:1，球磨转速为500rpm，球磨时间4h，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至920℃，使用氩气保护下进行雾化制粉，雾化气压为6MPa，然后进行根据粒径进行筛分，真空包装，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
实施例4
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜3％，镁2.4％，锌6.5％，钛6％，碳化硼1％，铝81.1％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程为：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分放入球磨机中混合均匀，球磨机混料时，球料比为4:1，球磨转速为480rpm，球磨时间3.5h，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至915℃，使用氩气保护下进行雾化制粉，雾化气压为5.5MPa，然后进行根据粒径进行筛分，真空包装，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
实施例5
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜2.2％，镁2.1％，锌5.5％，钛6.5％，碳化硼2.2％，铝81.5％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程为：
步骤一、按照上述增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分放入球磨机中混合均匀，球磨机混料时，球料比为11:2.5，球磨转速为440rpm，球磨时间3.5h，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至910℃，使用氩气保护下进行雾化制粉，雾化气压为4.5MPa，氩气纯度为99.99％，然后进行根据粒径进行筛分，真空包装，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
将实施例5制备得到的7000系铝合金经增材制造成的零部件进行金相组织分析，如图1所示，由图1可以看出，其微观组织为细小均匀的等轴晶，平均晶粒尺寸为50μm，组织内部无显微裂纹形成。
实施例5制备得到的7000系铝合金粉末经电子扫描电镜(图2)可以看出，制成的铝合金粉末球形度高，粒径在20±15μm范围内，粒径分布窄。
将实施例1-5制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测，结果如表1所示。
表1实施例1-5制备的铝合金粉末增材制造零部件的力学性能
对比例1
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜4.4％，镁2.1％，锌5.5％，钛4.5％，碳化硼2.2％，铝81.3％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程与实施例5相同，此处不再赘述。
将对比例1制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测，其抗拉强度σb为278MPa，抗拉强度σ0.2为206MPa，延伸率为8.6％。
对比例2
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：铜2.2％，镁5.2％，锌5.5％，钛6.5％，碳化硼8.6％，铝72％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程与实施例5相同，此处不再赘述。
将对比例2制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测，其抗拉强度σb为286MPa，抗拉强度σ0.2为211MPa，延伸率为9.1％。
对比例3
一种增材制造用7000系铝合金粉末，包含如下质量百分比的组分：镁4.3％，锌5.5％，钛6.5％，碳化硼2.2％，铝81.5％。
上述增材制造用7000系铝合金粉末的具体制备过程与实施例5相同，此处不再赘述。
将对比例3制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测，其抗拉强度σb为243MPa，抗拉强度σ0.2为190MPa，延伸率为6.9％。
综上所述，本发明提供的增材制造用7000系铝合金粉末，通过优化合金的含量、组分以及制备工艺，显著提高了材料在高温环境中的稳定性，使其在增材制造过程中经过周期性的熔化、凝固时，不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效改善了合金粉末的打印性能，进而增强后续增材制造零部件的力学性能，且不需要额外加入其它的增强元素，即可达到优异的力学性能，具有成本低廉，快速高效等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种增材制造用7000系铝合金粉末，其特征在于，包含如下质量百分比的组分：铜1-3％，镁1-3％，锌5-7％，钛6-12％，碳化硼1-6％，余量为铝。
2.如权利要求1所述的增材制造用7000系铝合金粉末，其特征在于，包含如下质量百分比的组分：铜1.5-2.5％，镁1.8-2.4％，锌5.2-6.5％，钛6.1-8.5％，碳化硼1.5-3.5％，余量为铝。
3.如权利要求2所述的增材制造用7000系铝合金粉末，其特征在于，包含如下质量百分比的组分：铜2.2％，镁2.1％，锌5.5％，钛6.5％，碳化硼2.2％，余量为铝。
4.一种增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照权利要求1-3任一项所述的增材制造用铝合金粉末的设计配比称取各组分，将称取的各组分进行球磨混合，得混合粉末；
步骤二、将所述混合粉末加热至900-930℃，然后进行雾化制粉，筛分，得所述增材制造用7000系铝合金粉。
5.如权利要求4所述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中，球磨时，球料比为3-6:1。
6.如权利要求4所述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中，球磨时，球磨转速为400-500rpm，球磨时间3-4h。
7.如权利要求4所述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中，采用氩气雾化法进行雾化制粉。
8.如权利要求7所述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法，其特征在于，所述氩气雾化法进行雾化制粉时，氩气压力为4-8MPa。
9.一种增材制造用7000系铝合金粉末，其特征在于，由权利要求4-8任一项所述的增材制造用7000系铝合金粉末的制备方法制成。
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