CN110408824A - 一种适用于3d打印的高强铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于3D打印的高强铝合金，包括以下重量百分比组分：Si：10％～12％，Cu：0.45％～0.7％，Mg：0.3％～0.55％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。该铝合金与现有用于3D打印的铝合金相比，在延伸率相当的前提下，成形态的抗拉强度、屈服强度都明显提高，且具有价格低的优势。

Description

一种适用于3D打印的高强铝合金

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种适用于3D打印的高强铝合金。

背景技术

近些年，3D打印技术受到了国内外众多科研机构和企业重视。AlSi10Mg合金则是3D打印中应用广泛的一种铝合金，和普通铝合金类似，它具有比刚度高、比强度高等优异的性能特点。沉积态(未热处理)的AlSi10Mg，其抗拉强度为465～478MPa、屈服强度为228～273MPa、断后伸长率为5.5～7.5％。

通过复合强化(引入二硼化钛等增强相)、共格第二相强化(添加Sc、Zr形成共格第二相)等方式，可以将沉积态3D打印铝合金的力学性能提升到500MPa以上。但是，引入了球磨工序、粉末球形度较差等问题导致复合强化不宜用于大规模的工业化生产；由于Sc是稀土元素，其价格较高且相对稀有，添加Sc元素的方式也不宜广泛推广使用。因此，急需开发一种新的合金，该合金可以通过现有的常规工艺制备出相应的3D打印粉末，3D打印过程的工艺性较好，不含有稀土等较为昂贵的合金化元素，力学性能优于AlSi10Mg合金，可以替代AlSi10Mg合金用于更高性能需求的服役环境。

发明内容

本发明的在于提供一种适用于3D打印的高强铝合金，该铝合金与现有用于3D打印的铝合金相比，在延伸率相当的前提下，成形态的抗拉强度、屈服强度都明显提高，力学性能更优。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适用于3D打印的高强铝合金，包括以下重量百分比组分：

Si：10％～12％，Cu：0.45％～0.7％，Mg：0.3％～0.55％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。

本发明所述的铝合金与现有AlSi10Mg的铝合金相比：本发明适当提高了Si元素含量，增强了Si相的第二相强化效果，使得Si元素质量百分数更加接近共晶成分，可以保证更优的工艺性且打印出来的零件更不易开裂；在略微提高Mg元素含量的同时，引入了Cu元素作为合金化元素，这两种元素在固溶状态时均可以起到固溶强化的作用，Cu和Mg的固溶强化效果会优于AlSi10Mg中Mg元素的固溶强化效果，从而提高合金力学性能；并且，Cu元素和Mg元素还可以与合金中其它元素相结合起到沉淀强化的作用。

本发明所述的铝合金的设以Al元素为基体组元，以Si、Cu、Mg为合金化元素，将Si含量设计为接近共晶成分，使得合金凝固过程的收缩率很小，合金的开裂倾向极低；本发明中Si元素的第二相强化效果提高，Mg和Cu两种元素协同作用可起到很好的固溶强化作用。

本发明合金与AlSi10Mg合金相比，本发明通过合理设置Si、Cu、Mg的比例，使得本发明合金的屈服强度和抗拉强度显著提高且延伸率相当，Cu和Mg的固溶强化效果会优于AlSi10Mg中Mg元素的固溶强化效果，从而提高合金力学性能。

本发明合金中Si元素含量接近共晶成分，在3D打印过程具有很好的工艺特性，打印过程开裂倾向较低；且本发明合金中主要元素不含昂贵或稀有的元素；因此，该合金价格相对低廉，可以大规模推广应用。

进一步地，其它元素包括Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn。

进一步地，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别小于等于：0.4％、0.2％、0.15％、0.1％、0.1％、0.05％、0.05％和0.05％。

本发明对Fe、Mn、Ni等其它元素的含量进行了约定，以保证合金的工艺及性能稳定性。

进一步地，不可除杂质在铝合金中的重量百分比小于等于0.2％。

进一步地，包括以下重量百分比组分：

Si：11％，Cu：0.6％，Mg：0.4％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。

上述比例设置为本发明的优选方案。

本发明所述铝合金的制备方法如下：

根据需要的成分配料，使用电解铝、铝硅中间合金等原材料，采用电阻加热等方法将原材料熔炼制备成所需合金；然后通过铸造或机械加工等方法将合金加工成制粉所需的形状尺寸；再使用气雾化或其它适宜的制粉技术将合金锭制成合金粉；最后通过筛分、粉末送检等步骤得到符合3D打印使用要求的粉末。

铝合金3D打印的常规方法如下：以激光选区熔化成形设备为例，先将铝粉置于惰性气体保护的干燥箱或真空干燥箱中烘干以备用；建立待加工的零件的三维模型、添加支撑、再切片导入到3D打印设备；选用适宜的3D打印工艺参数，在保护气氛下将铝合金粉末加工成目标零件。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明合金与AlSi10Mg合金相比，本发明合金中Si和Mg元素含量略微提高，以及Cu元素的引入，使得本发明合金的屈服强度和抗拉强度显著提高。

2、本发明合金与AlSi10Mg合金相比，本发明合金中Mg元素含量略微提高，并且引入了Cu元素，Cu和Mg的固溶强化效果会优于AlSi10Mg中Mg元素的固溶强化效果，从而提高合金力学性能，可以通过合适的热处理工艺，起到沉淀强化的作用。

3、本发明合金中Si元素含量接近共晶成分，在3D打印过程具有很好的工艺特性，打印过程开裂倾向较低。

4、本发明合金中主要元素不含昂贵或稀有的元素；因此，该合金价格相对低廉，可以大规模推广应用。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种适用于3D打印的高强铝合金，包括以下重量百分比组分：

Si：12％，Cu：0.45％，Mg：0.3％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别等于：0.4％、0.2％、0.15％、0.1％、0.1％、0.05％、0.05％和0.05％，不可除杂质为0.2％，余量为Al。

实施例2：

一种适用于3D打印的高强铝合金，包括以下重量百分比组分：

Si：10％，Cu：0.7％，Mg：0.55％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别等于：0.07％、0.005％、0.01％、0.005％、0.01％、0.005％、0.001％和0.001％，不可除杂质为0.2％，余量为Al。

实施例3：

本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：

Si：11.4％，Cu：0.3％，Mg：0.47％。

实施例4：

一种适用于3D打印的高强铝合金，包括以下重量百分比组分：

Si：11％，Cu：0.6％，Mg：0.4％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别等于：0.11％、、0.01％、0.005％、0.01％、0.02％、0.005％、0.001％和0.001％，不可除杂质为0.15％，余量为Al。

实施例5：

本实施例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

Si：10.6％，Cu：0.65％，Mg：0.37％。

对比例1：

一种AlSi10Mg合金，包括以下重量百分比组分：

Si：10.1％，Mg：0.35％，Fe：0.12％，Mn：0.01％，Ti：0.01％，Cr：0.005％，Zn：0.02％，Cu：0.01％，Ni：0.005％，Pb：0.001％，Sn：0.001％。

对比例2：

本对比例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

Si：9％，Cu：0.75％，Mg：0.25％。

对比例3：

本对比例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

Si：8.2％，Cu：0.80％，Mg：0.20％。

对比例4：

本对比例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

Si：13％，Cu：0.40％，Mg：0.65％。

对比例5：

本对比例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

Si：13.5％，Cu：0.40％，Mg：0.75％。

将实施例1-实施例5，对比例1-对比例5所述的铝合金在激光选区熔化成形设备上，选用适宜的3D打印工艺将合金粉末加工成水平和竖直两种样品，进一步通过机械加工得到棒状拉伸试样并测试其力学性能，测试结果如表1所示：

表1

根据表的数据可知：

1、本发明所述合金与现有AlSi10Mg合金相比：断后伸长率相当，即塑性相当；但是强度更高，具体地：不管是水平方向的抗拉强度和屈服强度还是竖直方向的抗拉强度和屈服强度均有所提高，其中，水平方向的抗拉强度(提高值最大55MPa)和竖直方向的屈服强度(提提高值最大45MPa)提高最为明显。

2、当Si和Mg的含量低于本发明所述范围且Cu的高于本发明：水平方向抗拉强度明显降低，水平方向的屈服强度略有降低，水平方向的塑性略有变差；竖直方向的抗拉强度和屈服强度均降低明显竖直方向的塑性明显变差；并且，Si和Mg的含量越低，抗拉强度降低越明显。

3、当Si和Mg的含量高于本发明所述范围且Cu的低于本发明：水平方向和竖直方向的抗拉强度以及屈服强度相当，但是断后伸长率明显降低，即塑性变差，尤其是竖直方向塑性严重变差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于3D打印的高强铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比组分：

Si：10％～12％，Cu：0.45％～0.7％，Mg：0.3％～0.55％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。

2.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的高强铝合金，其特征在于，所述其它元素包括Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn。

3.根据权利要求2所述的一种适用于3D打印的高强铝合金，其特征在于，所述Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别小于等于：0.4％、0.2％、0.15％、0.1％、0.1％、0.05％、0.05％和0.05％。

4.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的高强铝合金，其特征在于，所述不可除杂质在铝合金中的重量百分比小于等于0.2％。

5.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的高强铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比组分：

Si：11％，Cu：0.6％，Mg：0.4％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。