CN111051549B - 原材料及其应用和使用此原材料的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
披露了用于增材制造方法的形式为粉末或线材的Al‑Mg基的或Al‑Mg‑Si基的或Al‑Zn基的或Al‑Si基的原材料、该原材料的应用、和使用此原材料的增材制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造方法和用于增材制造方法的形式为粉末或线材的Al-Mg基的或Al-Mg-Si基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料。
背景技术
为了提高直接生成的成形体的机械强度，该成形体例如为借助于基于粉末床的增材制造方法制造的构件，由现有技术(DE102007018123A1)中公知，使用具有Al-Mg基或Al-Mg-Sc基(AlMg4.6Sc1.4)的粉末或线材作为原材料以用于此增材制造方法。虽然钪的细晶化的作用是已公知的(细晶化也可以抵抗构件的热裂纹或者说热裂形成)，但是利用这种粉末却无法保证使构件上形成的固化热裂纹的程度较小，此问题在激光焊接中也是公知的。因此，所公知的基于粉末床的增材制造方法导致明显的过程不确定性，这在目前仅能通过合适的合金选定以及严格的过程窗来减小。因此，此情况限制了增材制造方法的应用领域。
类似情况也由例如Al-Mg基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料所公知。
发明内容
因此，本发明所提出的任务是提供尤其是用于基于粉末床的增材制造方法的形式为粉末或线材的Al-Mg基的或Al-Mg-Si基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料，该原材料不仅在能在成形体或构件上实现的机械特性方面是有利的，而且可以减小热裂纹的风险。
本发明通过如下的用于增材制造方法的形式为粉末或线材的Al-Mg基的或Al-Mg-Si基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料解决了在原材料方面所提出的任务，所述原材料具有：
0.5至1.5重量百分比的铁(Fe)，
最大0.9重量百分比的锰(Mn)，
可选的硅(Si)，可选的镁(Mg)，可选的铜(Cu)，可选的锌(Zn)，
其中锰(Mn)和铁(Fe)的含量满足如下序关系：
其中，
并且
TLfcc＝660-6.6*(Si的重量百分比)-5.3*(Mg的重量百分比)-
3.6*(Cu的重量百分比)-2*(Zn的重量百分比)
并且，所述原材料可选地单个或以组合方式具有：
0.1至2重量百分比的钪(Sc)和/或铒(Er)，
0.1至3重量百分比的锂(Li)，
0至2重量百分比的镍(Ni)
0至1重量百分比的银(Ag)、铍(Be)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)、锆(Zr)、钽(Ta)、钇(Y)，
并且，作为剩余，所述原材料具有铝(Al)以及由于制造所引起的不可避免的杂质，
其特征在于，所述原材料具有：
0.05至12重量百分比的Si，
0.1至8重量百分比的Zn，
0.1至7重量百分比的Mg和
0.05至2.5重量百分比的Cu。
当Al-Mg基的或Al-Mg-Si基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料的锰(Mn)含量最大为0.9重量百分比并且铁含量最小为至少0.5重量百分比满足如下序关系时，即，
其中，
并且
TLfcc＝660-6.6*(Si的重量百分比)-5.3*(Mg的重量百分比)-
3.6*(Cu的重量百分比)-2*(Zn的重量百分比)
则可以保证例如硬度的机械特性较高以及形成热裂纹的倾向较低。
根据本发明，通过这种对合金成分的限制所能保证的是，在尤其是基于粉末床的增材制造方法期间在进行组织构成时使含Fe/Mn的相在原材料的Al基质相之前析出，以此可以实现更精细的组织构造。尽管铁和/或锰的含量相对较高(根据常见的专业见解，该高含量将形成粗大的金属间析出相并且因此将不利地影响成形体或构件的机械特性)，但这还是令人惊奇的。
此外可以确认的是，在遵循所述序关系时并且在考虑到在尤其是基于粉末床的增材制造方法期间的固有的高冷却速度的情况下，合金元素铁和/或锰可以对组织施展特别高的抑制再结晶的作用，这可以明显降低固化热裂纹形成的风险，并且也可以明显降低成形体或构件上的细孔形成。
此外，Fe和/或Mn也可以有助于成形体或构件上的强度提高，并且因此可以进一步改进机械特性。因此，与现有技术相对比，使用根据本发明的原材料可以保证在增材制造方法中的尤其高的过程确定性，以此使该方法也可以被多方面地应用。
序关系必要时可以通过可选的合金元素硅(Si)和/或镁(Mg)和/或铜(Cu)和/或锌(Zn)来补充。此外，合金可以单个地或以组合方式具有：可选的0.1至2重量百分比的钪(Sc)和/或铒(Er)，可选的0.1至3重量百分比的锂(Li)，可选的0至2重量百分比的镍(Ni)和可选的0至1重量百分比的银(Ag)、铍(Be)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)、锆(Zr)、钽(Ta)、钇(Y)。作为剩余，原材料具有铝(Al)以及由于制造所引起的不可避免的杂质。一般地提及的是，原材料可以具有分别最大是0.05重量百分比的并且全部总体上至多为0.15重量百分比的杂质。
当原材料具有至少是0.6重量百分比的Fe时，可以进一步提高成形体或构件的机械特性。利用具有0.8至1.8重量百分比的Fe和Mn的原材料在遵循序关系的情况下可以进一步将组织细化。使用具有0.8至1.2重量百分比的Fe的原材料在遵循序关系的情况下也可以进一步将组织细化，这可以在成形体或构件上导致机械特性改进并且导致组织有较少细孔或较少热裂纹。利用尤其是直至1.5重量百分比的Fe、优选是直至1.2重量百分比的Fe的上限，可以限制金属间的相的总量，以便可以保证在成形体或构件上的可延展性相对较高。就此而言，当原材料具有1重量百分比的Fe时，可以达到最优。
通过将成分中的合金元素Fe和Mn的总和限制到0.7至2.1重量百分比，能进一步改进对晶粒组织的细化，这可以进一步提高机械特性。可以通过0.8至1.6重量百分比的Fe和Mn的更严格限制特别地改进了机械特性。
通过使原材料具有0.05至12重量百分比的Si、0.1至8重量百分比的Zn、0.1至7重量百分比的Mg和0.05至2.5重量百分比的Cu，可以在无细孔性和无热裂性方面进一步优化组织。
原材料可以具有Al-Mg基，以便能够实现通过增材制造方法制造的具有在例如疲劳强度，蠕变和屈服强度的机械特性方面的极好的耐腐蚀性和耐温性的构件。为此建议Mg含量为2至7重量百分比。
如果原材料仅具有3至5重量百分比的Mg，则例如可以遏制在熔化过程中出现的浓烟颗粒的形成，以此减小了对晶粒组织的不利损害的风险。因此，根据本发明的原材料也可以有助于提高增材制造方法的可重复性。利用0.2至2重量百分比的钪(Sc)和/或铒(Er)能实现对抗热裂纹性的进一步改进，其中，可以与0.5至1.5重量百分比的Sc和/或铒Er的成分另外的限制相结合地而表现出色。
原材料可以具有Al-Mg-Si基，其具有Mg和Si作为合金元素。为此，具有0.3至2重量百分比的Mg和0.05至1.5重量百分比的Si的原材料可以被证明适合于提高机械特性并且减小热裂纹易发性。
当原材料具有0.3至2重量百分比的Mg和0.5至1.2重量百分比的Si时，前述特性可以被进一步改进。此外，可以通过相对较低的Mg含量进一步遏制在熔化过程中出现的不利的浓烟颗粒的形成。
为了构成高强度的成形体或构件，原材料可以具有Al-Zn基，其具有1至8重量百分比的Zn、1.0至3重量百分比的Mg和0.05至1.5重量百分比的Si。因为根据本发明的对Fe/Mn方面的成分的限制特别好地阻止了裂纹形成，所以由这种原材料制造的成形体或构件也可以在其抗拉强度方面表现出色。当原材料具有4.5至8重量百分比的Zn时，抗拉强度可以提高地被特别，以便可以保证在成形体或构件上的高的抗拉强度。
原材料可以除Al-Si基之外还具有5至11重量百分比的Si，以便在成形体或构件上减小固有应力和裂纹倾向。优选地，原材料在此方面具有7至10重量百分比的Si。
根据本发明的原材料可以特别适用于增材制造方法，尤其是适用于选择性的激光熔融。
此外，本发明所提出的任务是改进增材制造方法的可重复性。
本发明通过使用上述原材料的增材制造方法解决了所提出的任务。
通过将根据本发明的原材料使用在增材制造方法中，可以明显减小成形体或构件的固化热裂纹形成以及细孔形成的风险，这可以导致增材制造方法的经提高的可重复性。
所述特别适用于通过以激光束局部地熔化原材料而逐层地产生由该原材料制成的成形体或构件。
例如在基于粉末床的增材制造方法中，如例如在选择性激光熔融时是这种情况。
具体实施方式
为了证实所实现的效果，由根据表1的不同的粉末原材料借助于作为基于粉末床的增材制造方法的SLM(Selective Laser Melting，选择性激光熔融)制造成形体，更确切地说具有立方形的方块形状的成形体。
表1：粉末原材料1至9
粉末原材料1至9具有根据表1列举的合金元素，作为剩余，具有Al以及具有分别最大为0.05重量百分比的并且全部总共至多为0.15的重量百分比的受制造引起的不可避免的杂质。分别最大为0.05重量百分比的上限也适用于在表1中列举的未带有含量说明的合金元素。
相应于根据表1所示的序关系，对于粉末原材料1至9计算出参数A和TLfcc以及Mn的最小含量，如下所示：
| 粉末原材料 | TLfcc | A | Mn[重量百分比]> |
| 1 | 635 | 0.24 | 2.74 |
| 2 | 634 | 0.22 | 1.29 |
| 3 | 636 | 0.26 | 0.51 |
| 4 | 591 | 0.001 | 1.36 |
| 5 | 591 | 0.001 | 0.15 |
| 6 | 647 | 0.494 | 1.18 |
| 7 | 647 | 0.485 | 0.64 |
| 8 | 628 | 0.144 | 1.51 |
| 9 | 628 | 0.141 | 0.28 |
表2：参数A和TLfcc以及Mn的最小含量
Al-Mg基的原材料：
相应于表2，对于Al-Mg基的原材料1、2和3可见的是，只有具有0.55重量百分比的Mn的粉末原材料3满足前述的序关系，这是因为其Mn含量高于根据表2要求的Mn含量。
各个粉末原材料1、2和3在选择性的激光熔融时分别以200J/mm3的能量密度(ED)被完全熔化。为此使用Nd:YAG激光器，其具有200至400W的激光功率、小于1mm的光束直径、250mm/s的扫描速度/探扫速度和30μm的粉末层厚(Δz)。分别通过将根据表1的粉末原材料1、2和3局部熔化以大约30μm至45μm的粒度逐层产生成形体。对于每个层来说选择135μm的轨迹距离(Δys)。
Al-Si基原材料：
相应于在表2中列举的Al-Si基的原材料4和5，只有具有0.3重量百分比的Mn的粉末原材料5满足前述的序关系，这是因为其Mn含量高于根据表2所要求的Mn含量。
各个粉末材料4和5在使用具有200W的激光功率和500mm/s的扫描速度/探扫速度的Nd:YAG激光器进行每次选择性激光熔融时产生。分别通过对根据表1的粉末原材料的局部熔化以大约20μm至45μm的粒度逐层产生成形体4和5。
Al-Mg-Si基原材料：
相应于表2，对于Al-Mg-Si基的原材料6和7可见的是，只有具有0.65重量百分比的Mn的粉末原材料7满足前述的序关系，这是因为其Mn含量高于根据表2要求的Mn含量。
在使用具有200W的激光功率和500mm/s的扫描速度/探扫速度的Nd:YAG激光器进行每次选择性激光熔融时，产生各个粉末材料6和7。分别通过根据表1的粉末原材料的局部熔化以大约20μm至45μm的粒度逐层产生成形体6和7。
Al-Zn基原材料：
相应于表2，对于Al-Zn基的原材料8和9可见的是，只有具有0.3重量百分比的Mn的粉末原材料9满足前述的序关系，这是因为其Mn含量高于根据表2要求的Mn含量。
在使用具有200W的激光功率和500mm/s的扫描速度/探扫速度的Nd:YAG激光器进行每次选择性激光熔化时产生各个粉末材料8和9。分别通过根据表1的粉末原材料的局部熔化以大约20μm至45μm的粒度逐层产生成形体8和9。
因此，粉末原材料3、5、7和9是根据本发明的实施方式。
以此在成形体上实现的特性在下表3中列举出。
表3：由粉末原材料制成的成形体的特征值
根据表3，由粉末原材料1和2制成的成形体与由根据本发明的粉末原材料3制成的成形体相比具有明显更低的硬度，这也在减低的抗拉强度Rm和减低的最大伸长量A中反映出来。此外，可被证实的是，由粉末原材料3制成的成形体能够通过选择性激光熔融方法生产而无裂纹。此外，该成形体显示出更低的细孔率。
成形体的细孔率根据阿基米德原理(静液平衡)确定。
关于由粉末原材料4和5以及由粉末原材料7和8以及由粉末原材料8和9制成的成形体，能够观察到类似的结果。在此，由粉末原材料5或8或9制成的成形体关于抗拉强度Rm、最大伸长量A、无热裂纹性和细孔率方面显示出相同的改进的特征值。
取决于所使用的粉末的辐射吸收特性地，适用于增材制造方法的激光器还有CO2激光器、二极管激光器等。一般地提及之处尤其地理解为示例。
Claims (21)
1.用于增材制造方法的形式为粉末或线材的Al-Mg基的或Al-Mg-Si基的或Al-Zn基的或Al-Si基的原材料，所述原材料具有：
0.5至1.5重量百分比的铁(Fe)，
最大0.9重量百分比的锰(Mn)，
可选的硅(Si)，可选的镁(Mg)，可选的铜(Cu)，可选的锌(Zn)，
其中锰(Mn)和铁(Fe)的含量满足如下序关系：
其中，
并且
TLfcc＝660-6.6*(Si的重量百分比)-5.3*(Mg的重量百分比)-3.6*(Cu的重量百分比)-2*(Zn的重量百分比)
并且，所述原材料可选地单个或以组合方式具有：
0.1至2重量百分比的钪(Sc)和/或铒(Er)，
0.1至3重量百分比的锂(Li)，
0至2重量百分比的镍(Ni)
0至1重量百分比的银(Ag)、铍(Be)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)、锆(Zr)、钽(Ta)、钇(Y)，
并且，作为剩余，所述原材料具有铝(Al)以及由于制造所引起的不可避免的杂质，
其特征在于，所述原材料具有：
0.05至12重量百分比的Si，
0.1至8重量百分比的Zn，
0.1至7重量百分比的Mg和
0.05至2.5重量百分比的Cu。
2.根据权利要求1所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
至少0.6重量百分比的Fe。
3.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
0.7至2.1重量百分比的Fe和Mn。
4.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有Al-Mg基，所述Al-Mg基具有
2至7重量百分比的Mg。
5.根据权利要求4所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
3至5重量百分比的Mg和
0.2至2重量百分比的Sc和/或Er。
6.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有Al-Mg-Si基，所述Al-Mg-Si基具有
0.3至2重量百分比的Mg和
0.05至1.5重量百分比的Si。
7.根据权利要求6所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
0.3至1.2重量百分比的Mg和
0.5至1.2重量百分比的Si。
8.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有Al-Zn基，所述Al-Zn基具有：
1至8重量百分比的Zn，
1.0至3重量百分比的Mg，和
0.05至1.5重量百分比的Si。
9.根据权利要求8所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
4.5至8重量百分比的Zn。
10.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有Al-Si基，所述Al-Si基具有：
5至11重量百分比的Si。
11.根据权利要求1所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
0.8至1.2重量百分比的Fe。
12.根据权利要求1所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
1重量百分比的Fe。
13.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
0.8至1.8重量百分比的Fe和Mn。
14.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
0.8至1.6重量百分比的Fe和Mn。
15.根据权利要求4所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有：
3至5重量百分比的Mg和
0.5至1.5重量百分比的Sc和/或Er。
16.根据权利要求1或2所述的原材料，其特征在于，所述原材料具有Al-Si基，所述Al-Si基具有：
7至10重量百分比的Si。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的原材料在增材制造方法中的应用。
18.根据权利要求17所述的应用，其特征在于，所述应用是在选择性的激光熔融中的应用。
19.增材制造方法，其使用根据权利要求1至16中任一项所述的原材料。
20.根据权利要求19所述的增材制造方法，其特征在于，由所述原材料通过利用激光束将所述原材料局部熔化来逐层产生成形体或构件。
21.根据权利要求19或20所述的增材制造方法，其也是选择性激光熔融。
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