CN109280820A - 一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法,该合金粉末采用气体雾化工艺进行制备,首先采用中频感应炉熔制Al‑Si‑Zn‑Cu‑Mg‑X合金预制锭,然后采用超音速气体雾化工艺制粉,经过筛分后制备增材制造用不同规格的粉末。采用该高强度铝合金粉末通过增材制造获得的试样组织致密、无裂纹缺陷,其抗拉强度超过500MPa、延伸率超过3%,明显优于AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12的增材制造试样的强度性能,也优于传统的2000系、7000系合金的增材制造试样的性能。该合金粉末可用于增材制造方法制备组织致密、形状复杂、高强度的铝合金零件,满足航空、航天和汽车等领域要求高比强度、形状复杂的使用场合。

Description

一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法
技术领域
本发明是一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法,属于金属增材制造用铝合金粉末技术领域。使用该粉末、采用激光熔化增材制造工艺加工的试样的抗拉强度超过500MPa、延伸率超过3%且成本较为低廉。
背景技术
近五年来,随着高功率激光器的应用,金属增材制造技术获得了突破性的快速发展。金属增材制造以高质量的金属粉末为原材料,采用CAD模型设计和计算机控制、利用高功率激光、通过层层熔化的方式制造零件。通过采用高功率激光和适合的工艺参数,通过增材制造获得的制件的相对致密度可达到99.5%以上,已经可以满足航空、航天和汽车领域复杂构件的使用要求。该方法适用于难以采用传统铸造或挤压、锻造、轧制等热加工成型、具有点阵结构或复杂形状的、近净成形的零件。因具有原材料利用率高、省去了模具制造费用等优势,金属增材制造已经显示出良好的应用前景。
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术作为一种用途最广的金属增材制造技术,其制备的零件的致密度可达到99.5%、甚至99.9%以上。并且,采用该方法加工的零件的表面粗糙度要小于电子束熔化等其他金属增材制造方法。SLM技术已成功广泛应用于航空航天和汽车领域钛合金、钢、高温合金、铝合金零件的制备。对铝合金而言,其密度小(2.7g/cm3),且是目前一种重要的航空航天材料,采用SLM制造零件可满足苛刻的减重和刚度设计要求。但由于铝合金的高反射率、高导热率等特性,而SLM又属于一种快速凝固工艺,冷却速度达到约106K/s。迄今,只有凝固区间窄、焊接性能较好的AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等3种Al-Si系铝合金粉末可用SLM工艺制备接近完全致密的零件。但这几种铝合金属于中等强度的铸造铝合金,制备试样或制件的强度偏低,通常其抗拉强度不超过460MPa。
传统的强度较高的2000系和7000系变形铝合金的强度可达到500~600MPa,但因其凝固区间较宽,焊接性能较差、热裂倾向性大。目前这些传统高强度铝合金的SLM制造试验结果均不理想,制备的试样常常出现裂纹缺陷,导致其拉伸性能和疲劳性能明显低于传统变形铝合金的性能,甚至也低于Al-Si系合金的性能。近年来,空客公司制备了AlMg4.5ScZrMn合金(商业代号为)其力学性能与变形铝合金的相当(见:[1]A.B.Spieringset.al,Microstructure and mechanical properties of as-processedscandiummodified aluminum using selective laser melting.CIRP Annals-Manufacturing Technology 65(2016)213-216;[2]布朗克·伦乔夫斯基(空中客车防卫和太空有限责任公司),用于粉末冶金技术的含钪的铝合金,中国专利:201611272966.6),但由于该合金中的昂贵元素Sc的含量达到0.6%以上,合金粉末的价格很高,是Al-Si系合金粉末价格的3~4倍,这限制了其广泛应用。目前,铝合金增材制造领域急需一种成本较低、其增材制造制件抗拉强度可达到500MPa以上的高强度铝合金粉末。
发明内容
本发明是针对上述现有技术中存在的问题提供了一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法,其目的是采用激光熔化增材制造的该粉末制件的强度达到500MPa以上、又具有成本较低、成形性能好的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明技术方案提供了用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:该铝合金为以下几种之一:
第一种:快速凝固AlSiZnCuMgX铝合金,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 5~11,Zn 5~11,Cu 0.1~5,Mg0.1~5,X 0.1~0.3,余量为Al;
第二种:AlSiCuMgX铝合金,式中,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd等元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 0.5~2,X 0.1~0.3,余量为Al;
第三种:AlSiZnMgX铝合金,式中,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd等元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,X 0.1~0.3,余量为Al;
进一步,第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 0.5~3,Mg 0.5~3,X 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Er 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Er 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
进一步,第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Er 0.1~0.3,余量为Al。
本发明技术方案还提出了一种制备上述用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:该方法的工艺步骤为:
⑴熔制合金
按照预定的比例配料,使用中频感应炉熔制铝合金;
⑵雾化合金
采用超音速气体雾化工艺将上述合金雾化,制成球形粉末,雾化炉中的真空度应低于10Pa,充惰性气体至1个大气压,雾化介质采用氮气或氩气;
⑶粉末筛分
采用振动筛分机进行粉末筛分,分别得到规格为10-60μm、15-65μm或20-70μm的粉末。
进一步,规格为10-60μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:10~20μm;D50:27~33μm;D90:45~60μm。
进一步,规格为15-65μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:15~25μm;D50:35~40μm;D90:55~65μm。
进一步,规格为20-70μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:20~30μm;D50:35~45μm;D90:60~70μm。
进一步,制成的球形粉末中杂质元素Fe、O、Sn、Pb的含量均不超过重量百分比的0.1%。
本发明的高强度铝合金粉末具有下列优点:
本发明用于增材制造的高强度铝合金粉末的理想组织特征是由细小的α-Al晶粒、弥散分布晶界的尺寸不超过100nm共晶Si、固溶于α-Al中的Zn、Cu、Mg、X以及分布于基体、晶界的过渡相(GPZ、β″、θ″、S″、β′、θ′和S′)组成。这种组织的获得,主要依靠合金成分控制和超音速气体雾化等快速凝固工艺来实现。为避免熔制和雾化过程中的发生元素氧化烧损,首先应将雾化炉抽真空,真空度至少低于10Pa,然后充惰性气体,如氮气,氩气等至1个大气压。雾化介质采用氮气或氩气。对上述合金粉末进行筛分,得到粒度规格为10-60μm,15-65μm,20-70μm的粉末。选择这样的粉末粒度规格既满足增材制造(如SLM、SDM)工艺的使用要求,确保工艺性,同时也是为了保证增材制造材料的性能,另外也是为了避免外来夹杂的引入、确保空心粉率足够低(通常≤0.5%)、保证粉末收得率不低于35%,从而满足工程化生产和应用的要求。本发明的高强度铝合金粉末的优点具体表现为:
第一、强度高。该用于增材制造的高强度铝合金粉末,经过SLM工艺制备的试样(制造态和退火态)的室温抗拉强度超过500MPa以上,屈服强度超过350MPa,比目前的增材制造AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12合金提高50~150MPa,与2000和7000系变形铝合金的相当。
第二、粉末流动性好。该用于增材制造的高强度铝合金粉末的流动性明显优于目前的同种规格的AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12铝合金粉末。
第三、纯度高。该用于增材制造的高强度铝合金粉末的Fe、O、Sn、Pb的含量均分别不超过0.1%。
第四、制件组织致密。该用于增材制造的高强度铝合金粉末获得的增材制造试样的致密度达到99.9%以上,同时组织中无裂纹缺陷,明显优于传统2000和7000系变形铝合金。
第五、成本较低。该用于增材制造的高强度铝合金粉末可以不含Sc、或者含有不超过0.3%Sc,Sc含量仅为现有的用于增材制造的AlMg4.5ScZrMn高强度铝合金的1/3~1/2,因此,成本更低。
第五、易于实现工程化应用。目前,雾化粉末收得率可达35%以上,满足工程化生产和应用的要求;该用于增材制造的高强度铝合金粉末可用于增材制造方法制备组织致密、形状复杂、高强度的铝合金零件,满足航空、航天和汽车等领域要求高比强度、形状复杂的使用场合。
附图说明
图1为本发明实施例一中AlSi7Zn7Mg1.5Cu1Zr0.15Ni0.1的铝合金粉末的扫描电镜照片。
图2为本发明实施例二中AlSi9Cu3Mg1Zr0.15的铝合金粉末的扫描电镜照片。
图3为采用本发明实施例中AlSi7Zn7Mg1.5Cu1Zr0.15Ni0.1、AlSi9Cu3Mg1Zr0.15铝合金粉末与AlSi10Mg铝合金粉末选区激光熔化增材制造试样的室温拉伸性能对比。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
实施例一
表1给出了实施例一的铝合金粉末不同状态下增材制造试样的室温拉伸性能和弹性模量。
表1Al-Si-Zn-Mg-Cu-Ni-Zr铝合金粉末的不同状态增材制造试样的室温拉伸性能和弹性模量(XY方向)
采用气体雾化工艺将上述成分的用于增材制造的高强度铝合金粉末,如图1所示,然后经筛分,选择粒度为10-60μm的粉末用于选区激光熔化增材制造。增材制造在BLT-S200选区激光熔化设备上进行,制备了Φ13×80mm的试棒。其中一些试棒分别进行了120℃/2h、120℃/24h、165℃/2h、175℃/2h、185℃/2h退火处理。
按HB5143-1996的规定将上述制造态和退火态试棒加工成Φ5mm标准拉伸试样,测试其室温下的拉伸性能和弹性模量。表1给出1种成分的不同状态增材制造试样的测试结果。表1中的σb、σ0.2、δ5、E分别代表抗拉强度、0.2%条件屈服强度、延伸率、拉伸弹性模量。
实施例二
表2给出了实施例二的铝合金粉末不同状态下增材制造试样的室温拉伸性能和弹性模量。
表2Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金粉末的的不同状态增材制造试样的室温拉伸性能和弹性模量(XY方向)
采用气体雾化工艺将上述成分的用于增材制造的高强度铝合金粉末,然后经筛分,选择粒度为10-60μm的粉末用于选区激光熔化增材制造。增材制造在BLT-S200选区激光熔化设备上进行,制备了Φ13×80mm的试棒。其中一些试棒分别进行了120℃/2h、177℃/2h退火处理。
按HB5143-1996的规定将上述制造态和退火态试棒加工成Φ5mm标准拉伸试样,测试其室温下的拉伸性能和弹性模量。表1给出1种成分的不同状态增材制造试样的测试结果。表1中的σb、σ0.2、δ5、E分别代表抗拉强度、0.2%条件屈服强度、延伸率、拉伸弹性模量。
以上以其中两种优选成分给出了实施例,但本发明并不限于上述实施例,而是可以是不同组成元素和含量进行改变。
上述用于增材制造的高强度铝合金粉末的制备工艺包括以下步骤:
·熔制合金,采用中频感应炉分别熔制上述成分的铝合金,合金中的杂质元素铁(Fe)、氧(O)、锡(Sn)、铅(Pb)等均控制在0.1%以下,原料采用纯锌(Zn,99.9%)、纯镁(Mg,99.9%)、纯铝(Al,99.95%)和铝-硅(Al-Si)、铝-铜(Al-Cu)、铝-锰(Al-Mn)、铝-铬(Al-Cr)、铝-钛(Al-Ti)、铝-镍(Al-Ni)、铝-锆(Al-Zr)、铝-钪(Al-Sc)、铝-钇(Al-Y)、铝-铒(Al-Er)、铝-镧(Al-La)、铝-铈(Al-Ce)、铝-钕(Al-Nd)、铝-钆(Al-Gd),这些合金熔炼温度分别为750~900℃;
·雾化制粉,采用超音速气体雾化工艺将上述合金雾化,制成球形粉末。雾化时,其冷速为103~105℃/s。为避免熔制和雾化过程中的发生元素氧化烧损,首先应将雾化炉抽真空,真空度至少低于10Pa,然后充惰性气体,如氮气,氩气等至1个大气压。雾化介质采用氮气或氩气,雾化压力为1.5~4.0MPa,喷嘴直径为3~6mm。
·粉末筛分,采用振动筛分机对上述粉末进行筛分,得到粒度规格分别为10-60μm、15-65μm或20-70μm的粉末。选择这样的粉末粒度规格既满足SLM等增材制造工艺的使用要求,同时也是为了保证增材制造材料的性能,另外也是为了避免外来夹杂的引入、确保空心粉率足够低(通常≤0.5%)、保证粉末收得率不低于35%,从而满足工程化生产和应用的要求。
·粉末检验,对上述筛分后的合金粉末混合均匀后,取样进行成分、粒度、形貌等检验。成分采用光谱分析方法;粒度采用激光粒度分析法;形貌采用扫描电镜和光学显微镜观察。
·粉末包装,对上述检验符合要求的粉末进行密封包装。可采用塑料袋利用真空包装机进行真空封装,然后再放入金属容器中包装;或者,先装入塑料瓶(桶)、再充入高纯氩气,采用自封盖密封,然后装入专用金属桶或专用木箱中包装。
该用于增材制造的高强度铝合金粉末的应用潜力表现在三方面:一是形状复杂、要求轻质和高强度的飞机结构件;二是形状复杂的卫星零件;三是形状复杂的汽车零件。这种高强度铝合金粉末可望在航空、航天和汽车领域获得较为广泛的应用。

Claims (18)

1.一种用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:该铝合金为以下几种之一:
第一种:快速凝固AlSiZnCuMgX铝合金,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 5~11,Zn 5~11,Cu 0.1~5,Mg 0.1~5,X 0.1~0.3,余量为Al;
第二种:AlSiCuMgX铝合金,式中,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd等元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 0.5~2,X 0.1~0.3,余量为Al;
第三种:AlSiZnMgX铝合金,式中,X是Mn、Cr、Ti、Ni、Zr、Sc、Y、Er、La、Ce、Nd、Gd等元素中的一种或几种,该铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,X 0.1~0.3,余量为Al。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 0.5~3,Mg 0.5~3,X0.1~0.3,余量为Al。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,余量为Al。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第一种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Cu 1~3,Mg 1~3,Ni 0.1~0.3,Zr 0.1~0.3,Er 0.1~0.3,余量为Al。
7.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,余量为Al。
8.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
9.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
10.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第二种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Cu 1~4,Mg 1~2,Zr 0.1~0.3,Er0.1~0.3,余量为Al。
11.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Sc 0.1~0.3,余量为Al。
12.根据权利要求1所述的高强度铝合金,其特征在于:第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Y 0.1~0.3,余量为Al。
13.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强度铝合金,其特征在于:第三种铝合金的重量百分比为:Si 6~10,Zn 6~10,Mg 1~3,Er 0.1~0.3,余量为Al。
14.一种制备权利要求1所述用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:该方法的工艺步骤为:
⑴熔制合金
按照预定的比例配料,使用中频感应炉熔制铝合金;
⑵雾化合金
采用超音速气体雾化工艺将上述合金雾化,制成球形粉末,雾化炉中的真空度应低于10Pa,充惰性气体至1个大气压,雾化介质采用氮气或氩气;
⑶粉末筛分
采用振动筛分机进行粉末筛分,分别得到规格为10-60μm、15-65μm或20-70μm的粉末。
15.根据权利要求14所述的制备用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:规格为10-60μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:10~20μm;D50:27~33μm;D90:45~60μm。
16.根据权利要求14所述的制备用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:规格为15-65μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:15~25μm;D50:35~40μm;D90:55~65μm。
17.根据权利要求14所述的制备用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:规格为20-70μm的高强度铝合金粉末的激光衍射分析粒度分布为:D10:20~30μm;D50:35~45μm;D90:60~70μm。
18.根据权利要求14所述的制备用于增材制造的高强度铝合金粉末的方法,其特征在于:制成的球形粉末中杂质元素Fe、O、Sn、Pb的含量均不超过重量百分比的0.1%。
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