CN110423923B - 一种适用于3d打印的铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于3D打印的铝合金，包括以下重量百分比组分：Si：8.5％～9.5％，Mg：0.8％～1.2％，Sc：0.05％～0.2％，Zr：0.03％～0.15％，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，不仅具有优异的成形性能和力学性能，且各向同性较好。
Description
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打印的铝合金。
背景技术
铸造、锻造(挤压变形等)和焊接是铝合金常用的3种加工方式，与这几种加工方法不同，近些年发展起来一种新的加工技术-3D打印。3D打印拥有优于铸造的复杂零件加工能力，同时其力学性能与锻件接近。
AlSi10Mg合金是3D打印中常用的一种合金牌号，其类似的国内牌号为铸造铝合金ZL104。沉积态(未热处理)的AlSi10Mg，其水平方向抗拉强度约为464MPa、屈服强度约为274MPa、断后伸长率约为7.5％，其竖直方向抗拉强度约为478MPa、屈服强度约为228MPa、断后伸长率约为5.5％。由此可以看出，AlSi10Mg合金的力学性能在水平方向和竖直方向有显著差异，尤其是屈服强度，其差值达到45MPa。AlSi10Mg合金在3D打印后表现出的力学性能各向异性，不宜用于复杂应力状况(性能偏弱的方向会先失效)。
发明内容
本发明的在于提供一种适用于3D打印的铝合金，该铝合金与现有用于3D打印的铝合金相比，不仅具有优异的成形性能和力学性能，且各向同性较好。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于3D打印的铝合金，包括以下重量百分比组分：
Si：8.5％～9.5％，Mg：0.8％～1.2％，Sc：0.05％～0.2％，Zr：0.03％～0.15％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。
本发明合金中适当降低了Si元素含量，弱化了Si相的第二相强化效果，但Si元素质量百分数仍然高于7％，Si含量离共晶成分不远，合金凝固过程的收缩率相对较小，合金的开裂倾向较低，可以保证较好的工艺性且打印出来的零件不易开裂；略微提高了Mg元素的含量，增强了Mg元素的固溶强化或沉淀强化的效果，以抵消Si元素含量降低导致的力学性能下降；微量的合金元素Sc和Zr，可以起到晶粒细化作用，抑制柱状晶的外延生长行为，降低合金力学性能的各向异性，且不会明显增加原材料成本。
本发明中Mg元素含量较高，以及微量Sc和Zr元素的引入，使得本发明合金的屈服强度较高，同时微量的Sc和Zr元素，可以显著改善合金的各向异性，且不会明显增加合金的原材料成本。
本发明合金中Al元素为基础元素，Si、Mg、Sc、Zr为合金元素，通过合理设置Si、Mg、Sc、Zr之间的比例，不仅能够确保合金具有优异的成形性能和力学性能，且各向同性较好。
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、Cu、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％、0.05％和0.05％。
进一步地，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别小于等于：0.1％、0.05％、0.05％、0.05％、0.05％、0.02％、0.02％、0.02％和0.02％。
上述其它元素的设置能够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，不可除杂质在铝合金中的重量百分比小于等于0.05％。
进一步地，包括以下重量百分比组分：
Si：9.0％，Mg：1.0％，Sc：0.1％，Zr：0.05％，余量为Al、其它元素和不可除杂质。
上述设置为本发明的优选法方案。
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Mg元素含量的提高，以及微量Sc和Zr元素的引入，使得本发明合金的屈服强度有所提高。
2、本发明合金中Si元素含量离共晶成分不远，在3D打印过程具有较好的工艺特性，打印过程开裂倾向较低，具备推广应用的基本条件。
3、本发明合金与AlSi10Mg合金相比，发明合金中引入微量的Sc和Zr元素，可以显著改善合金的各向异性，且不会明显增加合金的原材料成本。
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打印的铝合金，包括以下重量百分比组分：
Si：8.5％，Mg：1.2％，Sc：0.2％，Zr：0.03％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、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％、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打印的铝合金，包括以下重量百分比组分：
Si：9.5％，Mg：0.8％，Sc：0.05％，Zr：0.15％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别等于：0.1％、0.01％、0.02％、0.01％、0.02％、0.02％、0.01％、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：9.1％，Mg：0.95％，Sc：0.09％，Zr：0.05％。
实施例4：
一种适用于3D打印的铝合金，包括以下重量百分比组分：
Si：9.0％，Mg：1.0％，Sc：0.1％，Zr：0.05％，Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别等于：0.14％、0.03％、0.03％、0.005％、0.03％、0.01％、0.005％、0.001％、0.001％，不可除杂质为0.05％，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：8.7％，Mg：1.15％，Sc：0.15％，Zr：0.03％。
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：7.5％，Mg：2.0％，Sc：0.03％，Zr：0.01％。
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：6.5％，Mg：2.8％，Sc：0.04％，Zr：0.02％。
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：10.8％，Mg：0.6％，Sc：2.8％，Zr：2.5％。
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：11.5％，Mg：0.4％，Sc：3.5％，Zr：3.2％。
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：不仅屈服强度明显提高，且水平方向和竖直方向的抗拉强度、屈服强度的差值均减小，AlSi10Mg合金的水平方向抗拉强度和竖直方向的抗拉强度差值为14MPa，AlSi10Mg合金的水平方向屈服强度和竖直方向的屈服强度差值为46MPa，本发明所述的水平方向抗拉强度和竖直方向的抗拉强度差值均低于10MPa，本发明所述合金的水平方向屈服强度和竖直方向的屈服强度差值为均低于35MPa，本发明合金的各向同性较AlSi10Mg好。
2、当Si、Sc和Zr含量均低于本发明所述范围且Mg的高于本发明：水平方向和竖直方向的抗拉强度和屈服强度均降低，水平方向和竖直方向的屈服强度的差值增加，Si、Sc和Zr含量越低，抗拉强度降低幅度越大，断后伸长率在水平方向和竖直方向均略有降低。
3、当Si、Sc和Zr含量均高于本发明所述范围且Mg的低于本发明：水平方向和竖直方向的抗拉强度和屈服强度均所有提高，但是竖直方向的断后伸长率明显降低，即塑性明显变差；且由于Sc含量高，导致成本太高，不宜推广使用；Zr含量越多工艺性较差，因为Zr元素熔点高，含量太高不容易加入。
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 (7)
1.一种适用于3D打印的铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比组分：
Si：8.5%~9.5%， Mg：0.8%~1.2%，Sc：0.05%~0.2%，Zr：0.03%~0.05%，余量为Al、其它元素和不可除杂质；所述铝合金的水平方向的抗拉强度和竖直方向的抗拉强度的差值均低于10MPa，所述铝合金的水平方向的屈服强度和竖直方向的屈服强度的差值为均低于35 MPa。
2.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的铝合金，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打印的铝合金，其特征在于，所述Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、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%、0.05%和0.05%。
4.根据权利要求3所述的一种适用于3D打印的铝合金，其特征在于，所述Fe、Mn、Ti、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb和Sn在铝合金中的重量百分比分别小于等于：0.1%、0.05%、0.05%、0.05%、0.05%、0.02%、0.02%、0.02%和0.02%。
5.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的铝合金，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%。
6.根据权利要求5所述的一种适用于3D打印的铝合金，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0.05%。
7.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比组分：
Si：9.0%， Mg：1.0%，Sc：0.1%，Zr：0.05%，余量为Al、其它元素和不可除杂质。
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