CN110317982A - 激光增材制造用铝合金粉末及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光增材制造用铝合金粉末及其应用，所述的光增材制造用铝合金粉末，包括如下质量分数的组分：Si：5.0‑20％，Cu：0.1‑5.0％，Mg：0.1‑5.0％，TiB2：1.0‑12.0％，余量为Al和不可避免的杂质。所述的激光增材制造用铝合金粉末，可用于激光增材制造。本发明通过测试，获得产物，通过SLM成形后的样品，致密度可达99％以上，热处理后屈服强度420MPa，抗拉强度550MPa，断后延伸率7.8％，且无明显各向异性，能够满足相关领域应用的需要。

Description

激光增材制造用铝合金粉末及其应用
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种铝合金，具体地，涉及一种 激光增材制造用铝合金粉末。
背景技术
高尖端领域对材料性能以及制造技术的要求日益提升，制造技术与信 息技术的深度融合是推进实施制造强国战略的重要支撑。
激光增材制造是以激光器作为熔化金属粉末的热源，以三维模型数据 为基础，通过逐层制造的方式来构造实体，可以解决兼顾复杂形状和高性 能金属构件快速制造的技术难题。目前，利用激光增材制造技术制备得到 较高尺寸精度的零部件，已经在医疗等领域获得了一些应用。然而，可供 激光增材制造使用的金属粉末非常有限，主要为不锈钢、钛合金以及镍基 高温合金。
铝合金具有密度小、比强度高等特点，具备广阔的应用前景。然而， 铝由于流动性差、激光反射率高、易氧化等缺点，通过激光增材制造成形 后试样往往存在较多缺陷，目前研究和应用大多局限在A356、AlSi10Mg、 AlSi12、AlMgScZr等体系，远远达不到使用需求。因此，开发适用于激光 增材制造的铝合金体系尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光增材制造用铝合金粉末及其应用，以克 服现有技术存在的上述缺陷，满足相关领域应用的需要。
所述的光增材制造用铝合金粉末，包括如下质量分数的组分：
Si：5.0-20.0％，优选地，5.0-12.0％，特别优选为，6.5-10.5％
Cu：0.1-5.0％，优选地，0.5-1.0％
Mg：0.1-5.0％，优选地，0.3-5.0％，特别优选的为，0.3-3.0％
TiB2：1.0-12.0％，优选地1.0-8.0％，特别优选为，1.5-6.5％
余量为Al和不可避免的杂质；
所述TiB2以陶瓷颗粒的形式存在，颗粒尺寸为5-2000nm。
通过所选的铝合金，能够采用真空气雾化工艺制备得到球形度较好、 激光吸收率较高的粉末。使用该铝合金粉末进行激光增材制造，能够改善 铺粉不均、热量积累等问题，从而减少成形过程中的缺陷和裂纹，提高成 形质量。
上述铝合金包含Si的质量分数为5.0-20.0％，优选地，5.0-12.0％，特 别优选为，6.5-10.5％。Si的添加导致合金具有良好的铸造性能，提高铝合 金的流动性，降低激光增材制造过程中的热裂倾向。
上述铝合金包含Cu的质量分数为0.1-5.0％，优选地，0.5-1.0％。Cu 的添加能够在激光增材制造的快速冷却过程中形成过饱和固溶体，提高成 形样品的屈服强度。
上述铝合金包含Mg的质量分数为0.1-5.0％，优选地，0.3-5.0％，特别 优选的为，0.3-3.0％。Mg的添加使得成形样品能够通过后续热处理工艺生 成第二相，如Mg2Si，Al2CuMg等，进一步提升样品强度。
上述铝合金包含TiB2的质量分数为1.0-12.0％，优选地1.0-8.0％，特别 优选为，1.5-6.5％。所述TiB2以陶瓷颗粒的形式存在，颗粒尺寸为5-2000nm。 TiB2颗粒不仅可以作为Al的有效形核基底，提高形核率，细化晶粒尺寸； 还能够影响合金元素Si、Cu、Mg的扩散速度，改善第二相的形貌和分布。 特别地，TiB2颗粒还能改善激光增材制造成形过程中的热量分布，降低残 余应力和各向异性。
本发明提供的一种激光增材制造用铝合金粉末，制备方法可参见专利CN100999018A报道的方法，具体的，包括如下步骤：
(1)将铝加热，升温至650～950℃，获得熔体；
(2)将KBF4、K2TiF6混合，烘干后加入步骤(1)得到的熔体中，搅 拌进行反应，优选地，反应时间为5-60min，扒去浮渣；
优选地，步骤(2)中，所述KBF4、K2TiF6的质量比为1:0.5～1:2；
(3)在步骤(2)得到的熔体中依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间 合金和Mg，除气精炼，温度为650～800℃，10～20min，扒去浮渣；
(4)将步骤(3)获得的熔体进行气雾化，即得所述铝合金粉末。
所述的气雾化为常规的技术，可参见专利CN107262730A报道的方法， 具体的，包括如下步骤：
熔体升温至750～1200℃，使用Ar和/或He气体保护下进行雾化，雾 化气压0.5～10MPa，雾化采用的喷嘴直径0.5～5mm。
本发明提供的激光增材制造用铝合金粉末，可用于激光增材制造，包 括如下步骤：
S1、通过制图软件绘制所需加工样品的三维图形，保存为STL格式；
S2、将本发明提供的铝合金粉末，通过筛分，留下粒径范围为15～53μm 的粉末，使用金属打印机制备得到步骤S1所绘样品；
S3、对步骤S2得到样品进行后续热处理，以进一步提升性能。
优选地，步骤S2中使用激光选区熔化(SelectiveLaserMelting，SLM) 技术，激光功率为150～350W，扫描速度为500～1500mm/s，扫描间距为 0.15～0.20mm，层厚为30～40μm。
优选地，步骤S3中的热处理工艺为加热温度120～180℃，保温时间 6～12h，空冷。
本发明的有益效果是：
通过测试，获得产物，通过SLM成形后的样品，致密度可达99％以上， 热处理后屈服强度420MPa，抗拉强度550MPa，断后延伸率7.8％，且无明 显各向异性。能够满足相关领域应用的需要。
具体实施方式
实施例中，获得的材料的性能参数，是根据标准ASTM B557-15规定 的方法进行检测的。
实施例1
组份重量配比：
余量为Al和不可避免的杂质；
所述TiB2以陶瓷颗粒的形式存在，颗粒尺寸为5-2000nm。
制备方法：
1.将铝加热，升温至680℃，获得熔体；
2.将质量比为1:1.5的KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入熔体中，机 械搅拌反应30min，扒去浮渣；
3.依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金和Mg，除气精炼，控制温 度为740℃静置15min，扒去浮渣；
4.将熔体升温至880℃，使用Ar气保护下进行雾化，雾化气压4.0MPa， 雾化采用的喷嘴直径1.8mm，即得所述铝合金粉末；
5.上述铝合金粉末通过筛分留下粒径范围为15～53μm的粉末，使用 SLM技术成形得到样品，工艺参数为激光功率250W，扫描速度1500mm/s， 扫描间距0.15mm，层厚30μm；
6.对成形样品进行热处理，加热至150℃保温12h。
通过测试，该粉末通过SLM成形后的样品致密度可达99％以上，热处理后 屈服强度420MPa，抗拉强度550MPa，断后延伸率7.8％，且无明显各向异 性。
实施例2
组份重量配比：
余量为Al和不可避免的杂质；
所述TiB2以陶瓷颗粒的形式存在，颗粒尺寸为5-2000nm。
制备方法：
1.将铝加热，升温至700℃，获得熔体；
2.将质量比为1:1.5的KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入熔体中，机 械搅拌反应30min，扒去浮渣；
3.依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金和Mg，除气精炼，控制温 度为760℃静置15min，扒去浮渣；
4.将熔体升温至900℃，使用He气保护下进行雾化，雾化气压3.0MPa， 雾化采用的喷嘴直径1.7mm，即得所述铝合金粉末；
5.上述铝合金粉末通过筛分留下粒径范围为15～53μm的粉末，使用 SLM技术成形得到样品，工艺参数为激光功率325W，扫描速度1000mm/s， 扫描间距0.19mm，层厚30μm；
6.对成形样品进行热处理，加热至150℃保温12h。
通过测试，该粉末通过SLM成形后的样品致密度可达99％以上，热处 理后屈服强度410MPa，抗拉强度530MPa，断后延伸率8.3％，且无明显各 向异性。
实施例3
组份重量配比：
余量为Al和不可避免的杂质；
制备方法如下：
1.将铝加热，升温至660℃，获得熔体；
2.将质量比为1:1.5的KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入熔体中，机 械搅拌反应30min，扒去浮渣；
3.依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金和Mg，除气精炼，控制温 度为700℃静置15min，扒去浮渣；
4.将熔体升温至780℃，使用He气保护下进行雾化，雾化气压2.5MPa， 雾化采用的喷嘴直径2.2mm，即得所述铝合金粉末；
5.上述铝合金粉末通过筛分留下粒径范围为15～53μm的粉末，使用 SLM技术成形得到样品，工艺参数为激光功率300W，扫描速度1000mm/s， 扫描间距0.19mm，层厚30μm；
6.对成形样品进行热处理，加热至120℃保温12h。
通过测试，该粉末通过SLM成形后的样品致密度可达99％以上，热处 理后屈服强度448MPa，抗拉强度498MPa，断后延伸率2.3％，且无明显各 向异性。
实施例4
组份重量配比：
余量为Al和不可避免的杂质；
制备方法如下：
1.将铝加热，升温至700℃，获得熔体；
2.将质量比为1:1.5的KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入熔体中，机 械搅拌反应30min，扒去浮渣；
3.依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金和Mg，除气精炼，控制温 度为780℃静置15min，扒去浮渣；
4.将熔体升温至980℃，使用He气保护下进行雾化，雾化气压4.5MPa， 雾化采用的喷嘴直径1.5mm，即得所述铝合金粉末；
5.上述铝合金粉末通过筛分留下粒径范围为15～53μm的粉末，使用 SLM技术成形得到样品，工艺参数为激光功率175W，扫描速度700mm/s， 扫描间距0.20mm，层厚40μm；
6.对成形样品进行热处理，加热至180℃保温6h。
通过测试，该粉末通过SLM成形后的样品致密度可达99％以上，热处 理后屈服强度354MPa，抗拉强度445MPa，断后延伸率4.6％，且无明显各 向异性。

Claims (10)

1.激光增材制造用铝合金粉末，其特征在于，包括如下质量分数的组分：
余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造用铝合金粉末，其特征在于，包括如下质量分数的组分：
余量为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造用铝合金粉末，其特征在于，包括如下质量分数的组分：
余量为Al和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1～3任一项所述的激光增材制造用铝合金粉末，其特征在于，所述TiB2以陶瓷颗粒的形式存在。
5.根据权利要求4所述的激光增材制造用铝合金粉末，其特征在于，颗粒尺寸为5-2000nm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的激光增材制造用铝合金粉末的应用，其特征在于，用于激光增材制造。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过制图软件绘制所需加工样品的三维图形，保存为STL格式；
S2、将本发明提供的铝合金粉末，通过筛分，留下粒径范围为15～53μm的粉末，使用金属打印机制备得到步骤S1所绘样品；
S3、对步骤S2得到样品进行热处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤S2中使用激光选区熔化，激光功率为150～350W，扫描速度为500～1500mm/s，扫描间距为0.15～0.20mm，层厚为30～40μm。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤S3中的热处理，加热温度120～180℃，保温时间6～12h，空冷。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤S3中的热处理，加热温度120～180℃，保温时间6～12h，空冷。
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