CN109778026A

CN109778026A - 一种增材制造用铝硅基合金及其粉末的制备方法

Info

Publication number: CN109778026A
Application number: CN201910108652.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡志勇; 王日初; 马如龙
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-02-03
Filing date: 2019-02-03
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明涉及一种增材制造用铝硅基合金，该增材制造用铝硅基合金按质量百分比包括以下组分：硅：7～20％；镁：0.4～3.2％；铜：0.2～1.6％；高温元素：0.2～1.0％；余量为铝。本发明还涉及所述的增材制造用铝硅基合金的粉末的制备方法。本发明的增材制造用铝硅基合金具有力学性能优异、强度高、热稳定性好的优点，尤其适用于增材制造技术，能够满足制造高强度零部件的要求。

Description

一种增材制造用铝硅基合金及其粉末的制备方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，特别是涉及一种增材制造用铝硅基合金及其粉末的制备方法。

背景技术

增材制造技术是20世纪90年代出现的一种快速成型技术，它是计算机辅助技术与激光加工方法相结合的新型材料加工技术。随着工业设计中越来越多地采用异形、复杂、整体结构件，传统的铸造、焊接、锻压和机加工等材料制备方法逐渐难以满足高性能应用需求。增材制造技术根据零部件的三维模型，利用激光熔化金属粉末，无需任何模具和工装夹具，可以直接获得复杂形状的零部件，实现“近净成形”。因此，增材制造技术在当今制造业中越来越具有竞争力，也是国内外重点突破的新型材料制造技术。

增材制造材料众多，包括钛合金、高温合金、不锈钢及铝合金等，应用领域包括珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等。由于铝合金粉末表面易氧化、流动性差、铺粉时易产生团聚，并且具有较高的激光发射率、热导率等特点，导致铝合金的增材制造工艺较为困难。

目前，应用于增材制造技术的铝合金种类有限，以AlSi10Mg、AlSi12、Al6061为主，主要研究工作集中于对增材制造工艺参数优化，而铝合金材料本身的力学性能仍无法满足零部件高强度的要求。

发明内容

针对现有增材制造用铝合金强度不足的问题，本发明的目的在于，提供一种增材制造用铝硅基合金，通过合金成分优化设计来提升铝合金的力学性能。

本发明采取的技术方案如下：

一种增材制造用铝硅基合金，按质量百分比包括以下组分：

硅：7～20％；

镁：0.4～3.2％；

铜：0.2～1.6％；

高温元素：0.2～1.0％；

余量为铝。

本发明的增材制造用铝硅基合金中，硅的添加有利于提高熔体流动性和粉末焊接性能，降低焊接开裂倾向，有利于增材制造成型；镁的添加一方面可以防止合金制成粉末后容易氧化，另一方面对合金起时效强化作用，有利于提高合金强度；铜的添加也起到时效强化作用，能提高合金强度；高温元素的添加可以提高合金组织的热稳定性，有利于避免3D打印时材料开裂的问题，并提高热处理后合金的强度。

本发明基于增材制造技术的特点，并针对目前增材制造铝合金存在的缺陷，对铝硅合金进行成分优化，充分依据增材制造技术对材料凝固速率高的要求，引入高温元素提高合金组织的热稳定性，利用过饱和析出的第二相强化合金，提高铝合金粉末成型性能以及合金的力学性能。

相对于现有的铝合金，本发明的铝硅基合金具有力学性能优异、强度高、热稳定性好的优点，其尤其适用于增材制造技术，能够满足制造高强度零部件的要求。

进一步地，所述高温元素选自锰、钛、铬中的任意一种或任意质量比的两种。锰、钛、铬等高温元素有利于提高组织热稳定性，使合金获得细小组织和良好性能。

进一步地，所述增材制造用铝硅基合金按质量百分比包括以下组分：

硅：10％；

镁：1％；

铜：0.4％；

高温元素：0.6％；

余量为铝。

本发明的另一目的在于，提供一种增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)按照权利要求1-3任一项所述的增材制造用铝硅基合金的组成配制原料；

(2)将步骤(1)配好的原料熔炼；

(3)采用气体雾化法将步骤(2)得到的熔体制成粉末。

进一步地，步骤(1)中的原料包括纯铝、纯镁、纯铜、铝硅中间合金、以及高温元素与铝的中间合金；其中，纯铝、纯镁和纯铜的纯度均大于99.95％，所述铝硅中间合金中硅的质量百分比为50％，所述高温元素与铝的中间合金中的高温元素的质量百分比为10～15％。

进一步地，步骤(1)的原料中，所述高温元素与铝的中间合金为铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金中的任意一种或两种。

进一步地，步骤(1)还包括：将配好的原料置于电阻炉中以200～300℃预热2小时以上。

进一步地，步骤(2)为：先以800～880℃将纯铝完全熔化，再升温至1000～1200℃，依次加入配好的铝硅中间合金、纯铜、高温元素与铝的中间合金，待加入的物料完全熔化后再加入纯镁，待纯镁完全熔化后，进行精炼除气，搅拌5～15分钟，然后静置5～10分钟。

进一步地，步骤(2)中，采用精炼剂进行精炼，并采用六氯乙烷除气；所述精练剂由质量比为9：9：1的氯化钠、氯化钾和氟化钙组成。

进一步地，步骤(3)中，气体雾化法制粉的条件为：采用氮气或氩气作为雾化气体，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例1制得的增材制造用改性铝硅基合金粉末的SEM宏观形貌图。

图2为实施例1制得的增材制造用改性铝硅基合金粉末的SEM截面图。

具体实施方式

本发明的增材制造用铝硅基合金，按质量百分比包括以下组分：

硅：7～20％；

镁：0.4～3.2％；

铜：0.2～1.6％；

高温元素：0.2～1.0％；

余量为铝。

具体地，所述高温元素选自锰、钛、铬等中的任意一种或任意质量比的两种。

所述增材制造用铝硅基合金的粉末的制备方法包括以下步骤：

(1)按照上述组成来配制原料；

(2)对步骤(1)配好的原料熔炼；

(3)采用气体雾化法将步骤(2)得到的熔体制成粉末。

具体地，所述步骤(1)中的原料包括纯铝、纯镁、纯铜、铝硅中间合金、以及高温元素与铝的中间合金；其中，纯铝、纯镁和纯铜的纯度均大于99.95％(按质量百分比计)，所述铝硅中间合金中硅的质量百分比为50％，所述高温元素与铝的中间合金中的高温元素的质量百分比为10～15％。

具体地，所述高温元素与铝的中间合金为铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金中的任意一种或两种；进一步地，该铝锰中间合金中锰的质量百分比为15％，该铝钛中间合金中钛的质量百分比为10％，该铝铬中间合金的铬的质量百分比为10％。

实施例1

本实施例制备增材制造用铝硅基合金(Al-10Si-1.0Mg-0.4Cu-0.6Mn-0.3Ti)的粉末，具体步骤如下：

(1)配料：

按硅：10％、镁：1％、铜：0.4％、高温元素：0.6％、铝余量的质量百分比组成，计算并称取相应重量的纯铝(纯度＞99.95％)、纯镁(纯度＞99.95％)、纯铜(纯度＞99.95％)、铝硅中间合金(含硅50wt％)、铝锰中间合金(含锰15wt％)以及铝钛中间合金(含钛10wt％)作为原料(其中除硅以外的合金元素均按2％的烧损计算)，再将配好的原料置于电阻炉中以200～300℃预热2小时以上。

(2)真空熔炼与精炼：

采用真空感应熔炼炉，先以800～880℃将纯铝完全熔化，再迅速升温至1000～1200℃，并依次加入配好重量的铝硅中间合金、纯铜、铝锰中间合金和铝钛中间合金，待加入的物料完全熔化后，将温度降至800～880℃，再用钟罩将纯镁压入熔体，待纯镁完全熔化后，进行精炼除气，搅拌5～15分钟，然后静置5～10分钟；其中，采用由质量比为9：9：1的氯化钠、氯化钾和氟化钙混合而成的精炼剂进行精炼除渣，采用六氯乙烷除气。

(3)气雾化制粉：

将步骤(2)得到的铝合金熔体分步倒入中间包，保持中间包的温度为800～900℃，进行气体雾化制粉，采取的条件为：采用氮气或氩气作为雾化气体，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃，雾化喷嘴直径为2.5～3.5mm，熔炼室正压在15KPa以上。

(4)粉末分级：

对步骤(3)制得的粉末进行筛分，筛分完成后得到粒径为15～53微米的增材制造用改性铝硅基合金粉末产品。

本实施例制得的增材制造用改性铝硅基合金粉末的宏观形貌如图1所示，其截面微观组织如图2所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种增材制造用铝硅基合金，其特征在于，按质量百分比包括以下组分：

硅：7～20％；

镁：0.4～3.2％；

铜：0.2～1.6％；

高温元素：0.2～1.0％；

余量为铝。

2.根据权利要求1所述的增材制造用铝硅基合金，其特征在于，所述高温元素选自锰、钛、铬中的任意一种或任意质量比的两种。

3.根据权利要求1或2所述的增材制造用铝硅基合金，其特征在于，按质量百分比包括以下组分：

硅：10％；

镁：1％；

铜：0.4％；

高温元素：0.6％；

余量为铝。

4.一种增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将步骤(1)配好的原料熔炼；

(3)采用气体雾化法将步骤(2)得到的熔体制成粉末。

5.根据权利要求4所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的原料包括纯铝、纯镁、纯铜、铝硅中间合金、以及高温元素与铝的中间合金；其中，纯铝、纯镁和纯铜的纯度均大于99.95％，所述铝硅中间合金中硅的质量百分比为50％，所述高温元素与铝的中间合金中的高温元素的质量百分比为10～15％。

6.根据权利要求5所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)的原料中，所述高温元素与铝的中间合金为铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金中的任意一种或两种。

7.根据权利要求4-6任一项所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)还包括：将配好的原料置于电阻炉中以200～300℃预热2小时以上。

8.根据权利要求5或6所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤(2)为：先以800～880℃将纯铝完全熔化，再升温至1000～1200℃，依次加入配好的铝硅中间合金、纯铜、高温元素与铝的中间合金，待加入的物料完全熔化后再加入纯镁，待纯镁完全熔化后，进行精炼除气，搅拌5～15分钟，然后静置5～10分钟。

9.根据权利要求8所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，采用精炼剂进行精炼，并采用六氯乙烷除气；所述精练剂由质量比为9：9：1的氯化钠、氯化钾和氟化钙组成。

10.根据权利要求4所述的增材制造用铝硅基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，气体雾化法制粉的条件为：采用氮气或氩气作为雾化气体，雾化气体压力为2.6～3.8MPa，雾化温度为780～860℃。