CN111155007B - 一种基于选择性激光熔化成形技术的高强度2000系铝合金制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于选择性激光熔化成形技术的高强度2000系铝合金制备方法;其中,一种基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法,其包括,称取原料进行熔炼;雾化制粉后筛分;保温处理,得到金属粉末;用所述金属粉末进行3D打印;再热处理,即得高强度2000系铝合金产品;以质量百分比计,所述原料的成分及含量为,Cu:2~8%、Li:0.5~2%、Mg:0.2~2%、Zr:1~3%、Ti:0.4~1.8%,余量为Al。本发明通过对传统2000系铝合成分进行优化,成本低,形成固溶强化、弥散强化、细晶强化,提高铝合金的强度,开发出3D打印Al‑Cu‑Li合金粉末,且其打印件经热处理后各项力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于选择性激光熔化成形技术领域,具体涉及一种基于选择性激光熔化成形技术的高强度2000系铝合金制备方法。
背景技术
基于金属的增材制造,也称为3D打印(本专利中特制激光选区熔化、激光熔化沉积两种工艺),是一个潜在的跨越多个行业的颠覆性技术,包括航空航天、生物医学和汽车行业。这是由于:第一,3D打印一层一层地构建金属部件,增加了设计自由度和制造灵活性,从而实现复杂的几何形状。这种分层的方法在复杂结构和薄壁构件的集成成型方面具有独特的优势,省去了焊接和铆接工序,不需要模具,缩短了设计和生产时间,促进产品的定制开发,缩短产品的上市时间,同时消除了传统的规模经济约束。第二,3D打印零件具有良好的质量和性能。激光快速移动,熔池的冷却速度达到103-108K/s。这种快速的冷却速度抑制了晶粒的生长和合金元素的分离,形成细小均匀的组织,显著提高了强度和韧性。非平衡凝固过程增加了基体中合金元素的固溶极限,可能产生新的亚稳态甚至非晶相。
将传统锻造牌号铝合金经气雾化制成粉末面临以下几个挑战:(1)目前传统牌号的铝合金只有4000系铝合金适合于3D打印,成型性能较好,但是力学性能不高(拉伸<400MPa,延伸率<6.5%)。(2)2000系铝合金综合性能较好,强度高,有一定的耐热性、耐蚀性、冲压性,热处理强化效果显著。但是由于较大的液相线与固相线间距,可焊性较差,导致合金中极易产生热裂纹,极大限制了该系合金的进一步工业化应用。
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。本发明提出在2000系铝合金中添加Zr元素,形成Al3Zr相,细化基体组织,减少甚至消除2000系铝合金的热烈现象,并进一步增强基体强度。本发明的3D打印制备的2000系铝合金无裂纹、致密度高、成本低,通过最佳的热处理工艺后力学性能优越。
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,提供一种基于选择性激光熔化成形技术的高强度2000系铝合金制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:一种基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法,其包括,称取原料进行熔炼;雾化制粉后筛分;保温处理,得到金属粉末;用所述金属粉末进行3D打印;再热处理,即得高强度2000系铝合金产品;以质量百分比计,所述原料的成分及含量为,Cu:2~8%、Li:0.5~2%、Mg:0.2~2%、Zr:1~3%、Ti:0.4~1.8%,余量为Al。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:元素质量分数比例为:所述Cu、所述Li与所述Ti的数量关系为Cu/Li≥4和/或2≤Cu/Ti≤12。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:所述Cu、所述Li与所述Ti的数量关系为Cu/Li≥5和/或3≤Cu/Ti≤10。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:所述高强度2000系铝合金产品包括铝固溶体基体和分散质;其中,所述分散质包括Al2CuLi、Al2Cu、Al2CuMg、Al3Li、AlLi中的一种或几种。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:所述铝合金中Cu元素的加入,其目的在于,形成T1相(Al2CuLi),T1相是最有效的强化相;所述铝合金粉末中Cu/Li比值≥4,其目的在于,高的Cu/Li比有利于T1强化相析出;所述铝合金中Mg元素的加入,其目的在于,使Al-Li合金溶解度曲线上移,降低Li在基体中的固溶度,在时效初期促进共格强化相δ’(Al3Li)析出,同时形成S’相(Al2CuMg),改善合金强韧性;所述铝合金中Zr元素的加入,其目的在于促进Al3Zr析出物的形成,细化合金晶粒,从而阻止裂纹的形成和扩展,可以显著降低并最终消除3D打印过程中裂纹的形成;所述铝合金中Ti元素的加入,其目的在于在3D打印快速冷却下形成长程有序的周期结构,增加强度和韧性。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:所述3D打印其成形的参数为,激光扫描功率为200~400W,扫描速度为500~1200mm/s,层厚为0.02~0.08mm,扫描间距为0.1~0.2mm。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:其特征在于:所述热处理的时效温度为275~325℃,保温时间为4~6h,升温速度为10~20℃/min,空冷。
作为本发明所述的基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法的优选方案,其中:所述余量为Al,杂质总质量分数不超过0.1%。
作为本发明的另一方面,本发明提供一种基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金产品,其特征在于:拉伸强度超过490MPa,平均硬度超过150HV0.2,延伸率超过11%。
本发明的有益效果:
第一,解决了传统牌号2000铝合金3D打印开裂的难题。第二,解决了传统牌号2000铝合金3D打印力学性能差的难题。第三,本发明通过对传统2000系铝合成分进行优化,成本低,形成固溶强化、弥散强化、细晶强化,提高铝合金的强度,开发出3D打印Al-Cu-Li合金粉末,且其打印件经热处理后各项力学性能优异。第四,本发明通过对传统2000系铝合成分进行优化,颠覆了学术界及工业界对3D打印2000系铝合的认识,因为本发明的Al-Cu-Li合金3D打印件的组织细小、致密度高、无裂纹、各向异性低。第五,3D打印的非平衡凝固过程增加了基体中合金元素的固溶极限,提高固溶强化效果,使得铝合金强度及各项力学性能增加,拉伸强度超过490MPa,平均硬度超过150HV0.2,延伸率超过10%。
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3D打印高强度2000系铝合金合金粉末扫描形貌图;
图2为3D打印高强度2000系铝合金具体实施例1零部件的金相图,其中,(a)为垂直建筑方向,(b)为平行建筑方向;
图3为3D打印高强度2000系铝合金具体实施例2零部件的金相图,其中,(a)为垂直建筑方向,(b)为平行建筑方向;
图4为3D打印高强度2000系铝合金透射电镜相分析图;其中,(a)为明场像,其中箭头所指针状的为T1相,球形状的为L12相(Al3Zr/Al3(Li,Zr));(b)为与图(a)对应的晶带轴选区电子衍射图,标定的为α-Al相和L12相;(c)为明场像,对其中区域1和区域2进行能谱分析结果如右下角所示,可判断呈黑色的相为富铜相,根据类似薄片状的形貌可推断其为Al2Cu相;(d)为高分辨图,推断出其中不同的原子排列方式分别为L12相和Al2Cu相。构件中铝固溶体基体和合金元素的重量百分比,深色区域为分散质,主要为铝(约90%~92%)、铜(约8%~11%)、镁(约1%~3%);浅色区域为基体,主要为铝(约96%~98%)、铜(约2%~4%)、镁(约1%~2%)。
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:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:0.5%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:0.5%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为200W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器挡板,挡板厚度为20mm,宽度为30mm,长度为500mm。经腐蚀后,其显微组织如图2所示,表明构件具有很好的耐腐蚀性;通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.9%,无裂纹,有少量微小孔洞,抗拉强度达到486MPa,平均硬度在145HV0.2以上,延伸率达到11.2%。
实施例2:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:3.5%、Li:0.5%、Mg:0.5%、Zr:2%、Ti:0.8%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为250W;激光扫描速度为800mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为6h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器挡板,挡板厚度为20mm,宽度为30mm,长度为500mm。经腐蚀后,其显微组织如图3所示,表明构件具有很好的耐腐蚀性;相分析如图4所示;通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.2%,无裂纹,有少量微小孔洞,抗拉强度达到485MPa,平均硬度在141HV0.2以上,延伸率达到10.6%。
实施例3:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:4%、Li:0.7%、Mg:1%、Zr:1.5%、Ti:0.7%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为350W;激光扫描速度为800mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器散热翅片,散热翅片厚度为2mm,宽度为30mm,长度为550mm。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.5%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到493MPa,平均硬度在149HV0.2以上,延伸率达到11.2%。
实施例4:
配制本发明所述用于3D打印高强2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5%、Li:0.7%、Mg:1.2%、Zr:1.8%、Ti:0.75%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为350W;激光扫描速度为1200mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为6h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器散热翅片,散热翅片厚度为2mm,宽度为30mm,长度为550mm。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到99.1%,无裂纹,无孔洞,抗拉强度达到487MPa,平均硬度在141HV0.2以上,延伸率达到11%。
实施例5:
配制本发明所述用于3D打印高强2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5%、Li:1%、Mg:1.2%、Zr:2%、Ti:1.5%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为400W;激光扫描速度为1000mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器散热翅片,散热翅片厚度为2mm,宽度为30mm,长度为550mm。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.7%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到478MPa,平均硬度在149HV0.2以上,延伸率达到8.5%。
实施例6:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为200W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。所得构件用于散热器散热底座,底座高度为100mm,宽度为100mm,长度为600mm。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.1%,无裂纹,有少量微小孔洞,抗拉强度达到468MPa,平均硬度在128HV0.2以上,延伸率达到10.2%。
实施例7:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为250mm,宽度为100mm,厚度为15mm,调整尺寸可用作船舶制造的腹板。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.9%,无裂纹,有少量微小孔洞,抗拉强度达到478MPa,平均硬度在131HV0.2以上,延伸率11.6%。
实施例8:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为1000mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为200mm,宽度为200mm,高度为100mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到97.9%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到465MPa,平均硬度在124HV0.2以上,延伸率达到10.9%。
实施例9:
配制本发明所述用于3D打印高强2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:3.5%、Li:1.5%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为275℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为150mm,宽度为150mm,高度为60mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.5%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到466MPa,平均硬度在121HV0.2以上,延伸率达到10.8%。
实施例10:
配制本发明所述用于3D打印高强2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:2%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为220mm,宽度为220mm,高度为100mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到97.2%,出现少量孔洞和裂纹,抗拉强度达到467MPa,平均硬度在120HV0.2以上,延伸率达到9.2%。
实施例11:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:7.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:0.5%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为200mm,宽度为200mm,高度为100mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到97.6%,出现少量孔洞和裂纹,抗拉强度达到475MPa,平均硬度在124HV0.2以上,延伸率9.8%。
实施例12:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:0.5%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为4h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为120mm,宽度为120mm,高度为50mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.2%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到485MPa,平均硬度在141HV0.2以上,延伸率达到11.2%。
实施例13:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为6h,升温速度为20℃/min,空冷。得到的构件长度为200mm,宽度为200mm,高度为80mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.2%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到481MPa,平均硬度在138HV0.2以上,延伸率达到9.2%。
实施例14:
配制本发明所述用于3D打印高强度2000系铝合成分,以质量百分比计为:Cu:5.0%、Li:1%、Mg:0.2%、Zr:1%、Ti:1%,余量为Al。上述铝合金合金粉末制备方法如下:(1)原料熔炼,将各元素按比例称取纯金属块原料置于真空感应炉加热熔炼;(2)雾化制粉,将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内,利用氦气进行雾化制粉;(3)粉末筛分:对上述预合金金属粉进行过目筛分处理,得到平均粒径为38μm的金属粉末,粒径范围为11μm~68μm。(4)保温干燥:将上述筛分后的粉末置入干燥箱内,保温时间12小时,保温温度为95℃。
以上粉末进行3D打印的激光参数为:激光扫描功率为300W;激光扫描速度为500mm/s;层间厚度为0.05mm;扫描间距为0.12mm。
经热处理:时效温度为325℃,保温时间为6h,升温速度为10℃/min,空冷。得到的构件长度为120mm,宽度为120mm,高度为800mm,调整尺寸可用作航空器机体内部结构如框架、座椅支架等。通过对零部件的力学性能测试可以发现,致密度达到98.7%,无裂纹,有少量孔洞,抗拉强度达到483MPa,平均硬度在145HV0.2以上,延伸率达到10.0%。
对照例1:
将实施例5中Cu和Li的含量分别调整为0.5wt%和4.2wt%,其余制备条件均与实施例5相同,测得其抗拉强度为202MPa,延伸率9%,硬度为155HV0.2,产生许多孔洞和裂纹,致密度低。
对照例2:
将实施例5中Cu和Li的含量分别调整为12wt%和0.2wt%,其余制备条件均与实施例5相同,测得其抗拉强度为232MPa,延伸率8%,硬度为145HV0.2,有裂纹产生,致密度低。
对照例3:
将实施例5中Mg的含量调整为10wt%,其余制备条件均与实施例5相同,测得其抗拉强度为362MPa,延伸率7%,硬度为136HV0.2,有孔洞和裂纹产生,致密度低。
对照例4:
将实施例14中激光扫描功率和激光扫描速度分别调整为100W和1500mm/s,其余制备条件均与实施例14相同,测得其抗拉强度为202MPa,硬度为78HV0.2延伸率9%,产生许多孔洞和裂纹,致密度低,为81.2%。
对照例5:
将实施例14中Cu、Li和Ti的含量分别调整为0.2wt%、5wt%和2wt%,其余制备条件均与实施例14相同,测得其抗拉强度为332MPa,延伸率8%,硬度为89HV0.2,有许多裂纹产生,致密度低,为80.8%。
对照例6:
将实施例14中Mg的含量调整为10wt%,其余制备条件均与实施例14相同,测得其抗拉强度为362MPa,延伸率7%,硬度为96HV0.2,有孔洞和裂纹产生,致密度低。
对照例7:
将实施例14中时效温度调整为200℃,其余制备条件均与实施例14相同,测得其抗拉强度为432MPa,延伸率7%,硬度为116HV0.2。
本发明公开了一种高强度2000系铝合金激光3D打印快速成型制造方法。所述基于3D打印技术的高强度2000系铝合金,所用金属粉末以质量百分比计,包括,Cu:2.5~8%、Li:0.5~2%、Mg:0.2~2%、Zr:1~3%、Ti:0.4~1.8%,余量为Al。其中Cu/Li≥5、3≤Cu/Ti≤10将上述成分气雾化后制成合金粉末。所述基于选择性激光熔化技术的高强度2000系制备的铝合金,组织细小、致密度高,无裂纹,经热处理后,拉伸强度≥490MPa,平均硬度≥158HV0.2,延伸率≥10%。本发明的高强度铝合金,可应用于航空航天和航空工业、轨道交通等领域。
以上合金成分的设计,除了Al、Cu主要元素外,还加入了Li、Mg、Zr、Ti,考虑到固溶强化、弥散强化、细晶强化等多种因素而设计。成分设计依据如下:
1.Cu元素的作用:提高合金的强韧性,减小无沉淀析出带宽度。
2.Li元素的作用:降低铝合金的密度,提高铝合金的弹性模量。与Al、Cu元素形成T1相(Al2CuLi)和δ’相(Al3Li),作为主要析出强化相,减弱共面滑移,提高合金强度。
3.Mg元素的作用:Mg在Al中固溶度较大,可起到固溶强化的作用,增强Li的沉淀强化。并且与Al、Cu元素作用形成S’相(Al2CuMg),有效防止共面滑移,提高合金强韧性。
4.Zr元素的作用:Zr元素的加入可以促进Al3Zr第二相的形成,对晶界起钉扎作用,晶粒细化,从而阻止裂纹的形成和扩展,提高合金的强韧性。
5.Ti元素的作用:在3D打印快速冷却下形成长程有序的周期结构,增加强度和韧性
采用相同的制备方法,含Cu量过低不能减弱局部应变及减小无沉淀带宽度,含Cu量过高会产生中间相,导致韧性降低、密度增大。
采用相同的制备方法,第二相的类型很大程度上取决于Cu/Li的比值,高的Cu/Li比有利于T1相的析出,因此,Cu/Li比大于5。
采用相同的制备方法,Cu/Ti比过高,无法形成长程有序的周期结构,Cu/Ti比过低,不利于强化相的析出,因此,Cu/Ti比大于3且小于10。
采用相同的制备方法,Mg含量过高,容易在晶界处析出T1相,消耗了Li,导致晶界处产生无沉淀脱落带,合金强度降低。
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 (8)
1.一种基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:
包括,称取原料进行熔炼;雾化制粉后筛分;
保温处理,得到金属粉末;
用所述金属粉末进行 3D 打印;
再热处理,即得高强度 2000 系铝合金产品;
以质量百分比计,所述原料的成分及含量为,Cu:2~8%、Li:0.5~2%、Mg:0.2~2%、Zr:1~3%、Ti:0.4~1.8%,余量为 Al;
所述热处理的时效温度为 275~325°C,保温时间为 4~6h,升温速度为 10~20°C/min,空冷。
2.根据权利 1 所述的基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:元素质量分数比例为:所述 Cu、所述 Li 与所述Ti的数量关系为 Cu/Li≥4和/或 2≤Cu/Ti≤12。
3.根据权利 2 所述基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:所述 Cu、所述 Li 与所述Ti的数量关系为 Cu/Li≥5 和/或 3≤Cu/Ti≤10。
4.根据权利 1 所述基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:所述高强度 2000 系铝合金产品包括铝固溶体基体和分散质;
其中,所述分散质包括 Al2CuLi、Al2Cu、Al2CuMg、Al3Li、AlLi中的一种或几种。
5.根据权利 1~4 任一所述基于选择性激光熔化技术的高强度2000系铝合金制备方法,其特征在于:所述铝合金中 Cu 元素的加入,其目的在于,形成 T1相(Al2CuLi),T1相是最有效的强化相;铝合金粉末中 Cu/Li 比值≥4,其目的在于,高的 Cu/Li 比有利于 T 1强化相析出;所述铝合金中 Mg 元素的加入,其目的在于,使 Al-Li 合金溶解度曲线上移,降低 Li 在基体中的固溶度,在时效初期促进共格强化相 δ’(Al3Li)析出,同时形成 S’相(Al2CuMg),改善合金强韧性;所述铝合金中Zr元素的加入,其目的在于促进 Al3Zr 析出物的形成,细化合金晶粒,从而阻止裂纹的形成和扩展,可以显著降低并最终消除 3D 打印过程中裂纹的形成;所述铝合金中Ti元素的加入,其目的在于在 3D 打印快速冷却下形成长程有序的周期结构,增加强度和韧性。
6.根据权利 5 所述的基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:所述 3D 打印其成形的参数为,激光扫描功率为 200~400W,扫描速度为 500~1200mm/s,层厚为 0.02~0.08mm,扫描间距为 0.1~0.2mm。
7.根据权利要求 1~4、6 任一所述的基于选择性激光熔化技术的高强度 2000 系铝合金制备方法,其特征在于:所述余量为 Al,杂质总质量分数不超过 0.1%。
8.根据权利要求 1~7 任一所述的方法制备的基于选择性激光熔化技术的高强度2000 系铝合金产品,其特征在于:拉伸强度超过490MPa,平均硬度超过 150HV0.2,延伸率超过 11%。
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