CN110144502B - 一种3d打印铝锂合金、其制备方法及其零件打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印铝锂合金、其制备方法及其零件打印方法，其包括，以质量百分比计，Li：0.5～2.0％；Cu：2.5～5.0％；Mg：0.3～1.2％％；Ag：0.2～0.8％；Cr：0.06～0.1％；Zr：0.1～0.5％；Y：0.08～0.14％；Er：0.02～0.08％；Sc：0.1～0.5％；Ru：0.02～0.08％；Ti：0.1～1.5％，余量为Al。本发明所得合金样品表面光滑、无明显裂纹，致密度高，抗拉强度558MPa，屈服强度496MPa，延伸率11％。

Description

一种3D打印铝锂合金、其制备方法及其零件打印方法
技术领域
本发明属于增材制造(俗称3D打印)专用材料技术领域，具体涉及一种3D打印铝锂合金、其制备方法及其零件打印方法。
背景技术
铝锂合金是把锂元素作为一种合金元素添加到铝合金中。锂作为最轻的金属元素，由于航空航天领域对轻质高强材料的需求，使得铝锂合金和其它传统铝合金相比具有突出优势。
增材制造技术(Additive Manufacturing，AM，又称3D打印)是一种利用金属粉末逐层制备金属零件的工艺，和传统生产方法相比，AM可以不需要后续处理就能生产出完全致密的近净成形构件,解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，因此，激光增材制造技术得到了迅速的发展，并在工业上得到了应用。铝合金激光增材制造在汽车、航空航天、和海事在内的各种现代产业高性能复杂零件制造领域已变得越来越重要。
目前，3D打印铝锂合金存在致裂纹、密度低、强度不高等问题，限制了铝锂合金增材制造技术的工业推广及应用。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。
因此，作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种3D打印铝锂合金。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：作为本发明所述3D打印铝锂合金的制备方法的一种优选方案：所述3D打印铝锂合金，其元素配比以质量百分比计，包括，Li：0.5～2.0％；Cu：2.5～5.0％；Mg：0.3～1.2％％；Ag：0.2～0.8％；Cr：0.06～0.1％；Zr：0.1～0.5％；Y：0.08～0.14％；Er：0.02～0.08％；Sc：0.1～0.5％；Ru：0.02～0.08％；Ti：0.1～1.5％，余量为Al。
作为本发明所述3D打印铝锂合金的一种优选方案：所述所述3D打印铝锂合金，其元素配比以质量百分比计，包括，Li：0.8～1.3％；Cu：3.5～4.0％；Mg：0.5～0.8％％；Ag：0.2～0.8％；Cr：0.06～0.1％；Zr：0.2～0.4％；Y：0.08～0.14％；Er：0.02～0.08％；Sc：0.2～0.4％；Ru：0.04～0.06％；Ti：0.6～1.2％，余量为Al。
作为本发明的另一个方面，本发明提供制备所述3D打印铝锂合金的方法，其包括，
按照所述元素配比混合各金属粉末，进行真空熔炼，采用气雾化法制备铝锂合金粉末；干燥、过筛、保温；
之后将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内，进行3D打印。
作为本发明制备所述3D打印铝锂合金的方法的一种优选方案：所述真空熔炼，其温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa。
作为本发明制备所述3D打印铝锂合金的方法的一种优选方案：所述气雾化法，雾化压力为4.5MPa，在雾化过程中采用氩气作为保护气体。
作为本发明制备所述3D打印铝锂合金的方法的一种优选方案：所述过筛，其筛网的目数为270目。
作为本发明制备所述3D打印铝锂合金的方法的一种优选方案：所述保温，温度为320℃，时间2.5h。
作为本发明制备所述3D打印铝锂合金的方法的一种优选方案：所述基板，温度为220℃，所述3D打印为激光粉床3D打印。
作为本发明的另一个方面，本发明提供制备所述3D打印铝锂合金的方法，本发明提供所述的3D打印铝锂合金的零件打印方法，其中，所述激光粉床3D打印，激光功率为330W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm。
本发明的有益效果：本发明通过大量的不同元素掺杂实验，调整合金元素的组合改善了3D打印铝锂合金的微观组织以及相结构，全面提升了3D打印铝锂合金的强度和塑韧性，具有显著的进步。本发明所得合金样品表面光滑、无明显裂纹，致密度高，抗拉强度558MPa，屈服强度496MPa，延伸率11％，达到了令人满意的强度和韧性的综合性能，对3D打印铝锂合金的推广及工业应用具有重大的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为实施例1制备的激光粉床3D打印的光镜图。
图2为实施例1制备的铝锂合金粉末SEM图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法：
(1)粉末制备：将所述3D打印铝锂合金粉末混合后进行真空熔炼，采用气雾化法制得铝锂合金粉末：真空熔炼的温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa；雾化压力为4.5MPa，在雾化过程中采用氩气作为保护气体防止粉末被氧化，之后干燥、过筛，筛网的目数为270目，制备出的合金粉末呈球形(见图2)。
(2)将筛过的合金粉末置于氩气气氛中，320℃下保温2.5小时。
将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内；用激光重复扫描基板，使基板温度调整至220℃，然后按照零件的几何结构模型进行3D打印：进行激光粉床3D打印，激光功率为330W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm。
图1为本发明制备的激光粉床3D打印的光镜图。通过以上3D打印工艺制备的铝锂合金样品，表面光滑且无明显裂纹，致密度高，强度和韧性高。
以上3D打印工艺制备的铝锂合金样品，表面光滑且无明显裂纹，致密度高，抗拉强度大于558MPa，屈服强度496MPa，延伸率11％。同时通过稀土元素的添加，改善了铝锂合金的晶体组织结构，使得该合金具有极好的耐温、耐磨及耐蚀等特性。在真空摩擦学性能测试实验中，测得其磨损量仅为1.102mg；在抗腐蚀性能测试实验中，测得其碱性溶液中最大腐蚀深为2.631μm，在酸性溶液中最大腐蚀深度为3.017μm。
实施例2：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：0.5％；Cu：2.5％；Mg：0.3％；Ag：0.2％；Cr：0.06％；Zr：0.1％；Y：0.08％；Er：0.02％；Sc：0.1％；Ru：0.02％；Ti：0.1％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法：
(1)将所述3D打印铝锂合金粉末混合后进行真空熔炼，采用气雾化法制得铝锂合金粉末：真空熔炼的温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa；雾化压力为4.5MPa,在雾化过程中采用氩气作为保护气体防止粉末被氧化。
(2)制备出的合金粉末呈球形，筛网的目数为270目。
(3)将筛过的合金粉末置于氩气气氛中，在320℃以下保温2.5小时。
将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内；用激光重复扫描基板，使基板温度调整至220℃，然后按照零件的几何结构模型进行3D打印：进行激光粉床3D打印，激光功率为330W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm。
实施例3：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：2.0％；Cu：5.0％；Mg：1.2％；Ag：0.8％；Cr：0.1％；Zr：0.5％；Y：0.14％；Er：0.08％；Sc：0.5％；Ru：0.08％；Ti：1.5％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法：
(1)将所述3D打印铝锂合金粉末混合后进行真空熔炼，采用气雾化法制得铝锂合金粉末：真空熔炼的温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa；雾化压力为4.5MPa,在雾化过程中采用氩气作为保护气体防止粉末被氧化。
(2)制备出的合金粉末呈球形，筛网的目数为270目。
(3)将筛过的合金粉末置于氩气气氛中，在320℃以下保温2.5小时。
将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内；用激光重复扫描基板，使基板温度调整至220℃，然后按照零件的几何结构模型进行3D打印：进行激光粉床3D打印，激光功率为330W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm。
实施例4(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例5(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例6(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例7(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ce：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例8(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例9(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Mn：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例10(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：6.0％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例11(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.05％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例12(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：3.2％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例13(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.3％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法与实施例1相同。
实施例14(对照例)：
3D打印铝锂合金粉末各组分的重量百分比为：Li：1.1％；Cu：3.7％；Mg：0.6％；Ag：0.4％；Cr：0.08％；Zr：0.3％；Y：0.10％；Er：0.05％；Sc：0.3％；Ru：0.05％；Ti：0.8％，余量为Al和不可避免的杂质。
铝锂合金制备方法：
(1)将所述3D打印铝锂合金粉末混合后进行真空熔炼，采用气雾化法制得铝锂合金粉末：真空熔炼的温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa；雾化压力为4.5MPa,在雾化过程中采用氩气作为保护气体防止粉末被氧化。
(2)制备出的合金粉末呈球形，筛网的目数为270目。
(3)将筛过的合金粉末置于氩气气氛中，在320℃以下保温2.5小时。
将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内；用激光重复扫描基板，使基板温度调整至220℃，然后按照零件的几何结构模型进行3D打印：进行激光粉床3D打印，激光功率为400W，扫描速度为4000mm/s，扫描间距为60μm，铺粉层厚为40μm。
制备的铝合金抗拉强度、屈服强度、延伸率及磨损量数据列表结果见表1。
表1
Figure BDA0002080999420000071
Figure BDA0002080999420000081
表1为各实施例中铝锂合金抗拉强度、屈服强度、延伸率以及磨损量的测量数据，可以看出本发明通过添加有益元素，优化铝锂合金配比，改善了铝锂合金显微组织以及相结构，和其它3D打印方法制备铝锂合金相比，本发明制备的铝锂合金表现出优异的强度和韧性，同时表现出优异的耐磨性能。
对制备的铝合金进行抗腐蚀性能测试。实施例与对比例尺寸为50mm×20mm×2mm，实验前经除油、除锈后，清洗后冷风吹干，然后将薄片置于质量分数为15wt％的氢氧化钠溶液和质量分数为10wt％的盐酸中在室温下浸蚀120h，分别检查表面最大腐蚀深度，实验结果见表2。
表2
碱性溶液中最大腐蚀深度/μm 酸性溶液中最大腐蚀深度/μm
实施例1 2.631 3.017
实施例2 3.856 3.722
实施例3 3.795 3.886
实施例4 19.213 18.556
实施例5 21.352 22.361
实施例6 15.126 16.265
实施例7 7.125 6.329
实施例8 11.564 11.957
实施例9 8.237 8.655
实施例10 9.326 9.564
实施例11 8.325 8.294
实施例12 9.217 9.336
实施例13 9.344 9.921
实施例14 5.362 5.117
由表2可以看出，由于稀土元素的添加，改变了合金的晶体结构，使得本发明制备的3D打印铝锂合金具有良好的耐蚀性能，同时可以看出稀土元素Ce与其它元素之间的协同作用效果明显不如稀土元素Ru。
目前3D打印铝锂合金存在致裂纹、密度低、强度不高等问题，限制了铝锂合金增材制造技术的工业推广及应用。本发明通过大量的不同元素掺杂实验，调整合金元素的组合改善了3D打印铝锂合金的微观组织以及相结构，全面提升了3D打印铝锂合金的强度和塑韧性，具有显著的进步。本发明所得合金样品表面光滑、无明显裂纹，致密度高，抗拉强度558MPa，屈服强度496MPa，延伸率11％，达到了令人满意的强度和韧性的综合性能，对3D打印铝锂合金的推广及工业应用具有重大的意义。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种3D打印铝锂合金，其特征在于：所述3D打印铝锂合金，其元素配比以质量百分比计，包括，Li：0.8～1.3％；Cu：3.5～4.0％；Mg：0.5～0.8％％；Ag：0.2～0.8％；Cr：0.06～0.1％；Zr：0.2～0.4％；Y：0.08～0.14％；Er：0.02～0.08％；Sc：0.2～0.4％；Ru：0.04～0.06％；Ti：0.6～1.2％，余量为Al。
2.制备如权利要求1所述的3D打印铝锂合金的方法，其特征在于：包括， 按照所述元素配比混合各金属粉末，进行真空熔炼，温度为750℃，熔炼炉内气压为0.5MPa，采用气雾化法制备铝锂合金粉末，雾化压力为4.5MPa，在雾化过程中采用氩气作为保护气体；干燥、过270目筛、320℃保温2.5h； 之后将铝锂合金粉末倒入送粉缸或落粉斗，胶体密闭后通入氩气，通过红光扫描模拟打印路径，将扫描范围控制在基板的几何范围内，进行3D打印；
所述基板的温度为220℃，所述3D打印，为激光粉床3D打印，其激光功率为330W，扫描速度为600mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm。
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