CN109909492A - 一种高强高韧铝合金粉体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强高韧铝合金粉体材料及其制备方法。属于增材制造领域。所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 4.8~5.1%，Sc 0.25~0.35%，Zr 0.15~0.2%，余量为铝。本发明采用惰性气体雾化法制备粉末，熔炼温度为750℃~800℃，熔炼室、雾化室抽真空，真空度要求≤4Pa，保温与熔炼坩埚加热；通过高速氮气将材料高温液流破碎成小液滴后经冷却和球化成金属粉末；制得粉末在环境温度20℃，湿度50％以下分级。材料优点在于提供了一种适用于航空航天领域应用的高强高韧铝合金，特别适用于航空结构件；能够满足航空航天对于3D打印高强高韧粉末的要求，丰富3D打印铝合金在航空结构件的应用。

Description

一种高强高韧铝合金粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属3D打印用增材制造领域，特别涉及一种增材制造用高强高韧铝合金粉末材料及其制备方法。

背景技术

3D打印是目前发展最为迅速、最为前沿的快速成型技术之一。在航工航天、汽车工业、机械制造，乃至生物医疗等领域均拥有广泛的应用前景。实现了从传统的减材、等材制造工艺，发展至如今的增材制造工艺，大大提高了材料利用率、节约了原材料投入成本。其便捷的通过计算机数据模型直接制作出结构复杂、形状复杂的零件，大大节约开模成本，缩短了研发、提高了生产效率。

作为3D打印用的金属材料经处理以粉末、丝材等方式存在，经过激光熔化烧结重新结合在一起形成特定的零件形状。当前在研的、成熟的金属3D打印材料来讲主要集中在钴铬合金、铁基合金、钛合金、镍基高温合金以及铝合金。应用来讲钴铬合金应用最为成熟，而铝合金作为一种轻金属材料，具有优良的物理、化学和力学性能，能够广泛适用于制造航空航天、汽车轻量化以及生物医疗等领域。作为一种轻质、性能优异以及性能丰富的合金材料，在SLM领域的应用需求越来越大，应用前景也越来越清晰，但与其他已经成功应用于SLM的材料相比，高强高韧铝合金具有较高的导热率以及对激光较高的反射率，且合金化程度高，结晶范围宽，使得其SLM成型过程中存在有很强的热裂倾向，严重限制了其工程应用。金属零件3D打印技术作为先进制造技术的重要发展方向，市场潜力大，市场需求迫切。

AA5024粉末材料具有强度高，密度小，成形性好等优点，并符合中国标准(B/T1173、HB 962、HB 5012、GB/T 1480、GB/T 1482、GB/T 1479、HB 5441.1 等)和美国标准(ASTM F3049、ASTM B212、ASTM B213等)的质量要求，主要用于制造航空及其他工业领域的机匣、框架、缸体等金属零件，其制备工艺包括3D打印、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复等。

CN103480854 A公开了一种制备超细金属粉末的方法，包括熔炼、雾化、冷却、固液分离等步骤，其中，雾化介质选自水、氮气、氦气或氩气等，制得的金属粉末或合金粉末粒径小于10μm，且其占比在50％以上、球形度在90％以上、氧含量小于100ppm，该粉末具有耗气量小，冷却效率高，设备要求度不高等优点，符合金属注射成型、热喷涂、热喷焊、3D打印用金属粉末或合金粉末的质量要求。

CN108115145A公开了一种金属粉末制备装置及方法,该装置包括控制系统、熔炼系统、真空系统、雾化室、压力控制系统、除尘系统等部分组成，其中雾化室中的雾化器包括气体雾化喷嘴、流咀和熔体分散器；所述的气体雾化喷嘴和流咀在熔体分散器上方，气体雾化喷嘴中心线和熔体分散器的中心线以及流咀中心线重合，所述流咀安装在熔炼室的底部,且伸入雾化室中。所述方法包括：装炉，金属加热并熔炼，熔体在重力和气体压力的作用下射入雾化室内的熔体分散器上，分散成液滴，对液滴雾化为细小的液滴，液滴冷却凝固形成金属粉末。本发明公开的制备金属粉末的方法具有粉末粒度可控性好、粉末粒度分布较窄、不易堵炉、节能环保等优点。

CN105401026 A公开了一种超高强铝合金粉，按质量百分比计，其元素组分和含量为：Zn：10.0～20.0wt.％，Cu：4.0～8.0wt.％，Hf：2.0～6.0wt.％，Yb： 0.5～2.0wt.％，Mg：0.5～1.5wt.％，Ti：0.2～0.5wt.％，Ta：0.05～0.2wt.％，Zr： 0.1～0.5wt.％，Fe：≤0.05wt.％，Si：≤0.05wt.％，Ni：≤0.05wt.％，余量为Al，铝合金粉的粒径为5～50μm。超高强铝合金粉为球形、铝合金粉粒径小、铝合金成分元素中种类较少，非常适合航空用高强度铝合金零部件的粉末冶金或3D打印工艺成形，获得的铝合金零部件力学性能优异，可以替代部分航空飞行器中使用的钛合金或高强钢材料。

前述文献公开的技术内容均作为本发明的参考。前述文献公开了一些制粉方法以及制粉装置，同时公开了高强铝用作3D打印粉的通用成分，并未筛选优化粉末材料的组成与配比，以及且其粉末材料中的氧含量相对较高、流动性不佳、对于材料热成型性问题没有改善，甚至无法投入工业生产。

AA5024粉末材料制备中存在的技术难题包括铝粉易氧化、流动性难以实现以及热成型性差等。粉末易氧化主要是铝合金自身性质决定，材料较为活泼，很容易在表层形成氧化层；流动性影响3D打印时的铺粉效果与打印件的性能；热成型性差影响打印件的整体性能；高强高韧铝合金具有较高的导热率以及对激光较高的反射率，且合金化程度较高，使得其SLM成型过程中存在有很强的热裂倾向为此，解决AA5024粉末材料中的铝粉的易氧化性、流动性难以实现以及热成型性等问题对于提高3D打印时的铺粉效果、打印件的性能、丰富铝合金3D 打印粉末体系至关重要重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AA5024粉末材料，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 3.9～5.1％，Sc 0.1～0.4％，Zr 0.05～0.2％，余量为铝。

本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的原料为纯镁、纯铝、铝钪合金、铝锆合金的任一种或其组合。

本发明的优选技术方案中，所述的纯镁中Mg的含量为Mg 99.85％，优选为Mg99.90％，更优选为Mg 99.95％，余量为铝。

本发明的优选技术方案中，所述的纯铝中Al的含量为Al 99.95％，优选为 Al99.97％，更优选为Al 99.99％。

本发明的优选技术方案中，所述的铝钪合金中Sc的含量为Sc 0.5～3.5％，优选为Sc 1～3％，更优选为Sc 1.5～2.5％，余量为铝。

本发明的优选技术方案中，所述的铝锆合金中Zr的含量为Zr 3.5～6.5％，优选为Zr 4～6％，更优选为Zr 4.5～5.5％，余量为铝。

本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中杂质元素的组成及含量为， Si≤0.35，Fe≤0.50，Cu≤0.30，Mn≤0.30，Cr≤0.20，Zn≤0.35，Ti≤0.30。

本发明的目的在于提供一种AA5024铝合金粉末材料的制备方法，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 4.8～5.1％，Sc 0.25～0.35％， Zr 0.15～0.2％，余量为铝，所述粉末材料采用超音速真空惰性气体雾化法，包括下述步骤：(1)称取所需量的原料纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金，将其置于熔炼装置中；(2)将熔炼装置抽真空，至其真空度≤4Pa，再充入惰性气体至大气压；(3)将纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金置于700-950℃条件下熔炼成熔炼液后，再将熔炼液置于700-1000℃条件下保温静置20-90min，制得合金熔液；(4)在熔炼装置中充入惰性气体，将制得的合金熔炼液用高速惰性气流雾化，将其破碎成小液滴后

本发明的优选技术方案中，所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气的任一种或其组合。

本发明的优选技术方案中，所述熔炼温度为700-950℃，优选为725-850℃，更优选为750-800℃。

本发明的优选技术方案中，所述保温温度为700-1000℃，优选为750-900℃，更优选为800-850℃。

本发明的优选技术方案中，所述雾化时间为20-90min，优选为30-80min，更优选为40-70min。

本发明的优选技术方案中，所述雾化压力为1.0-3.5MPa，优选为 1.5-3.0MPa，更优选为2.0-2.5MPa。

本发明的优选技术方案中，所述的筛分使用的设备为超声波振动筛，优选过筛不少于两次。

本发明的优选技术方案中，第一筛网的孔径为100-400目，优选为150-350 目，更优选为200-300目。

本发明的优选技术方案中，第二筛网的孔径为400-900目，优选为500-850 目，更优选为600-800目。

本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径的D10分布为15-35μm，优选为18-32μm，更优选为20-30μm。

本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径的D50分布为35-50μm，优选为33-40μm，更优选为35-40μm。

本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径的D90分布为55-75μm，优选为58-70μm，更优选为58-65μm。

本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的空心粉含量为＜0.5％，优选为＜0.3％，更优选为＜0.2％。

本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的氧含量≤1000ppm，优选粉末材料的氧含量≤800ppm，更优选粉末材料的氧含量≤600ppm。

本发明制得的AA5024铝合金粉末材料达到工业级金属3D打印用粉末材料的质量要求。

本发明AA5024粉末材料制成的3D打印件具有比强度高、工艺性好、易于加工、具有极佳的强度塑形比，优选用作选区激光熔化用3D打印的金属粉末材料。

本发明的目的在于提供一种用于3D打印、粉末冶金(PM)、注射成型 (MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复等的AA5024粉末材料。

本发明的优选技术方案中，所述AA5024粉末材料还可用于制备航空航天、机械制造中的承力结构件，优选用作3D打印的金属粉末材料，更优选用于制备汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体、涡轮盘的结构件中的任一种。

为了更清楚地表述本发明的保护范围，对下述术语进行如下界定：

本发明所述的中值粒径以激光粒度仪测量粉体粒度D50值来衡量，表示粉末粒径在D50值以下的粉末数量占粉末总量的50％。

本发明所述的D10值表示粉末粒径在D10值以下的粉末数量占粉末总量的10％。

本发明所述的D90值表示粉末粒径在D90值以下的粉末数量占粉末总量的90％。

本发明采用惰性气体雾化法制备粉末材料，采用高速气流将粉末材料的高温熔炼液破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末，制得的金属粉末经筛分进行粒度分级，即得。

本发明参照激光衍射分析法(ASTM B822-10)利用激光衍射法，通过英国马尔文3000粒度分析仪检测粉末材料的粒径。

本发明参照QB-QT-36-2014标准，通过惰性气体脉冲红外热导法检测粉末材料的氧含量。

本发明通过ICP-AES法，参照GB/T 20975.25-2008标准检测AA5024粉末材料中的杂质元素成分。

本发明采用金相观察方法检测空心粉含量，利用image-pros软件计量金相图中(200倍)空心粉个数占金相图总颗粒个数的比值，比值为≥16张金相图统计数值取平均值。

本发明AA5024粉末材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率等性能参数按照 GB/T228-2002标准规定进行检测。

若无另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/ 重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。

与现有技术相比，本发明以纯镁、纯铝、铝钪合金、铝锆合金为原材料，采用惰性气体雾化法制粒，制得的AA5024粉末材料具有纯度高、杂质含量少、合金成分均匀、氧含量低；球形度高、卫星球少；粉末粒度分布均匀、质量可控、粉末性能优异等优点。

采用本发明的另一个显著优势是本发明制得的AA5024粉末材料达到工业级金属3D打印用粉末材料的质量要求，用于航空及其他工业部门的机匣、框架、缸体等的3D打印制造，具有比强度高、工艺性好、易于加工、具有极佳的强度塑形比，可用作选区激光熔化方式3D打印的金属粉末材料，也可用于3D 打印、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复中的任一种耗材中的应用。

本发明的AA5024粉末材料还可用于制备航空航天、机械制造中的承力结构件，优选用作3D打印的金属粉末材料，更优选用于制备汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体、涡轮盘的结构件中的任一种。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的雾化过程具体说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明的实质。

实施例1-3中AA5024粉末材料的组成如表1所示：

表1实施例1-3中AA5024粉末材料的组成

实施例1 AA5024粉末材料的制备

采用惰性气雾化法制粒制备AA5024粉末材料，包括下述步骤：

1)按照表1称取所需量的原料纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金，将其置于熔炼坩埚中；

2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为2.0Pa后，充入氩气至微正压；

3)在750℃条件下将纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金熔炼成溶液，将制得的熔炼液在800℃条件下保温30min，制得合金熔炼液；

4)往熔炼坩埚中通入氩气至其压力为2.0MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；

5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氩气至大气压，收集制得的金属粉末材料；

6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为250 目，第二筛网的孔径为800目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。

实施例2 AA5024粉末材料的制备

采用惰性气雾化法制粒制备AA5024粉末材料，包括下述步骤：

1)按照表1称取所需量的原料纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金，将其置于熔炼坩埚中；

2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为3.0Pa后，再充入氮气至大气压；

3)在800℃条件下将纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金熔炼成溶液，将制得的熔炼液在830℃条件下保温35min，制得合金熔炼液；

4)往熔炼坩埚中通入氩气至其压力为2.5MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；

5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氮气至微正压，收集制得的金属粉末材料；

6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为230 目，第二筛网的孔径为630目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。

实施例3AA5024粉末材料的制备

采用惰性气雾化法制粒制备AA5024粉末材料，包括下述步骤：

1)按照表1称取所需量的原料纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金，将其置于熔炼坩埚中；

2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为2.3Pa后，再充入氦气至大气压；

3)在780℃条件下将纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金熔炼成溶液，将制得的熔炼液在800℃条件下保温40min，制得合金熔炼液；

4)往熔炼坩埚中通入氦气至其压力为1.5MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；

5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氦气至大气压，收集制得的金属粉末材料；

6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为270 目，第二筛网的孔径为600目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。

通过惰气脉冲红外热导法，参照QB-QT-36-2014标准检测实施例1-3制得的AA5024粉末材料的氧含量；通过ICP-AES法，参照GB/T 20975.25-2008标准检测实施例1-3制得的AA5024粉末材料的杂质元素成分；参照激光衍射分析法ASTM B822-10，通过马尔文3000粒度仪检测实施例1-3制得的AA5024粉末材料的粒度，结果如表2所示：

表2实施例1-3制得的AA5024粉末材料的性能参数

将实施例1-3制得的粉末材料采用EP M250 3D打印机进行试棒打印测试，将制得的打印试棒经相同热处理后，采用GB/T 228.1-2010标准对试棒进行拉伸试验，结果如表3所示：

表3实施例1-3制得的AA5024粉末材料的打印性能参数

由表3可以看出，本发明AA5024粉末材料制成的打印性能良好，其打印件的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率≥7.0％。

以上为本发明的优选实例，但本发明的实施并不限于上述实例。本领域人员阅读了上述内容后，任何对于本发明的修改和替代，都可被认为处于本发明的权利要求限定范围内。

Claims (7)

1.一种3D打印用AA5024粉末材料，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 3.9~5.1%，Sc 0.1~0.4%，Zr 0.05~0.2%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的AA5024粉末材料，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 4.5~5.1%，Sc 0.2~0.4%，Zr 0.1~0. 2%，余量为铝。

3.根据权利要求1或2所述的AA5024粉末材料，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 4.8~5.1%，Sc 0.25~0.35%，Zr 0.15~0.2%，余量为铝。

4.根据权利要求1-3任一项所述的AA5024粉末材料，制备粉末材料的选自纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金的任一种或其组合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的AA5024粉末材料，所述AA5024合金中Mg、Sc、Zr的含量为Mg 3.9~5.1%，Sc 0.1~0.4%，Zr 0.05~0.2%，优选为Mg 4.5~5.1%，Sc 0.2~0.4%，Zr 0.1~0. 2%，更优选为Mg 4.8~5.1%，Sc 0.25~0.35%，Zr 0.15~0.2%。

6.一种权利要求1-5任一项所述的AA5024粉末材料的制备方法，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Mg 4.8~5.1%，Sc 0.25~0.35%，Zr 0.15~0.2%，余量为铝，所述粉末材料采用惰性气体雾化法制粉方法，包括下述步骤：（1）称取所需量的原料纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金，将其置于熔炼装置中；（2）将熔炼装置抽真空，至其真空度≤4Pa，再充入惰性气体至大气压；（3）将纯镁合金、纯铝合金、铝钪合金、铝锆合金置于700-950℃条件下熔炼成熔炼液后，再将熔炼液置于700-1000℃条件下保温静置20-90min，制得合金熔炼液；（4）在熔炼装置中充入惰性气体，将制得的合金熔炼液用高速惰性气流雾化，将其破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末；（5）收集制得的金属粉末，经筛分进行粒度分级，即得。

7.权利要求1-6任一项所述的AA5024粉末材料或者权利要求7制得的AA5024粉末材料用作3D打印、粉末冶金、热等静压、激光熔覆、激光加工焊接中的任一种的耗材中的应用，优选用作选区激光熔化方式3D打印的金属基粉末材料，更优选用于制备航空航天领域的结构件。