CN111155014B - 一种三维打印用高强度合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印用高强度合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：6~18wt.%Gd，0.5~4wt.%Er，0.5~4wt.%Y，0.2~1wt.%Ca，0~1wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。所述制备方法为：进行成分设计后将原材料制成球形粉末，并把金属粉末充分混合，对混合后的原材料粉末进行烧结并固溶热处理，然后通过机械研磨合金化获得合金球形粉末。所得的材料经三维打印出的成品具有阻燃性高、轻量化、强度高、耐磨损的优点。

Description

一种三维打印用高强度合金及其制备方法

技术领域

本发明属于3D打印材料的技术领域，具体涉及一种三维打印用高强度合金及其制备方法。

背景技术

3D打印技术，根据其制造工艺又叫增材制造，属于快速成型技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，最终直接打印出产品，形成“数字化制造”。3D打印技术源自于19世纪末期美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，但受限于当时的技术条件，并未取得突破性的进展。上世纪80年代，随着计算机技术、新材料技术的蓬勃发展，3D打印技术取得了长足的进步，但其商业化、市场化进程缓慢。进入21世纪，3D打印技术得到了迅猛发展，其应用领域也由模具制造、工业设计等逐渐推广到航空航天、汽车和医疗等领域。

由于镁合金具有比强度和比刚度高、阻尼减振性好、电磁屏蔽和导热性能强、耐压性、散热佳、易于铸造和成型、易切削加工和易于回收等一系列独特的优点，在航空航天、汽车和计算机、通信、消费类电子等结构件产业中的应用潜力巨大。将镁合金和3D打印技术结合起来服务金属制造工业，可以推动制造业向低成本、短周期、高效率方向发展。3D打印金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、含氧量低。用于3D打印的金属原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化，同时在打印过程中又能重新粘结起来，并具有满足需求的物理和化学性质。

不过，目前用于3D打印的金属粉末主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，镁合金因为其化学性质活泼和易燃性，粉末制备困难，还处在试验阶段，未广泛应用到3D打印领域中。目前常用的三维打印镁合金的方法是先熔炼制备出镁合金，然后球磨出粉末，再进行三维打印。整个制备过程工序长，能耗高，易增加杂质，材料利用率低。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种三维打印用高强度合金及其制备方法。第一方面，本发明提供的一种Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金材料，由如下重量百分含量的各元素组成：6~18wt.%Gd，0.5~4wt.%Er，0.5~4wt.%Y，0.2~1wt.%Ca，0~1wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。

第二方面，本发明提供一种三维打印用高强度合金的制备方法，Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金不是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金）结合传统的熔炼工艺制备，而是依次按照以下步骤进行：

（1）利用机械研磨工艺将原材料纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。

（2）按照Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金各元素的具体含量，称取各类原材料粉末，将金属粉末充分混合，混合时间8~60分钟。

（3）将混合后得到的金属粉末烧结成预制块并进行固溶热处理，固溶温度300~550℃，固溶时间4~20小时。

（4）利用机械研磨工艺将合金预制块制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。

第三方面，本发明提供一种三维打印零件，该零件是由第一方面中所述的Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金或者通过第二方面制备获得的Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金经三维打印制成。

本发明的优点及有益效果是：

（1）应用本发明所提供的Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金粉末材料，所得到的零部件强度高，阻燃性好，又具有耐磨损的优点，突破了镁合金只能作为结构材料使用的局限性。

（2）本发明设计的Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金具有优异阻燃性能，燃点提高到915℃以上，粒径呈正态分布、组织晶粒细小、制备过程中与空气无接触，含氧低，解决了熔炼制备镁合金铸锭和后续雾化法制备镁合金粉末易燃的问题，可用于3D打印相关产品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种Mg-Gd-Er-Y-Ca镁合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的各组分：6wt.%Gd，4wt.%Er，4wt.%Y，0.2wt.%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。Mg-6Gd-4Er-4Y-0.2Ca镁合金不是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金）结合传统的熔炼工艺制备，而是依次按照以下步骤进行：

（1）利用机械研磨工艺将原材料纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。

（2）按照Mg-6Gd-4Er-4Y-0.2Ca镁合金各元素的具体含量，称取各类原材料粉末，将所取粉末置入混粉机中混合8分钟至混合均匀。

（3）将混合后得到的金属粉末烧结成预制块并进行固溶热处理，固溶温度300℃，固溶时间20小时。

（4）利用机械研磨工艺将合金预制块制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。机械研磨合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。

（5）用所获得的成品粉末进行3D打印，打印参数为：建造速率：30cm³/h，激光扫描速度：8m/s，分层厚度：40μm。

通过上述方法制备的高强度Mg-6Gd-4Er-4Y-0.2Ca镁合金材料，其燃点为916℃，密度为1.83g/cm³，屈服强度为240MPa，抗拉强度为340MPa，延伸率4.5%，相对耐磨性ε为9.7。

实施例2

本实施例涉及一种Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的各组分：18wt.%Gd，0.5wt.%Er，0.5wt.%Y，1wt.% Ca，1wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Ca-1Zr镁合金不是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金）结合传统的熔炼工艺制备，而是依次按照以下步骤进行：

（1）利用机械研磨工艺将原材料纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。

（2）按照Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Ca-1Zr镁合金各元素的具体含量，称取各类原材料粉末，将所取粉末置入混粉机中混合60分钟至混合均匀。

（3）将混合后得到的金属粉末烧结成预制块并进行固溶热处理，固溶温度550℃，固溶时间4小时。

（4）利用机械研磨工艺将合金预制块制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。机械研磨合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。

（5）用所获得的成品粉末进行3D打印，打印参数为：建造速率：30cm³/h，激光扫描速度：8m/s，分层厚度：40μm。

通过上述方法制备的高强度Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Ca-1Zr镁合金材料，其燃点为955℃，密度为1.92g/cm³，屈服强度为240MPa，抗拉强度为350MPa，延伸率4 %，相对耐磨性ε为10.6。

实施例3

本实施例涉及一种Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的各组分：12wt.%Gd，2wt.%Er，2wt.%Y，0.6wt.% Ca，0.5wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。Mg-12Gd-2Er-2Y-0.6Ca-0.5Zr镁合金不是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金）结合传统的熔炼工艺制备，而是依次按照以下步骤进行：

（1）利用机械研磨工艺将原材料纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。

（2）按照Mg-12Gd-2Er-2Y-0.6Ca-0.5Zr镁合金各元素的具体含量，称取各类原材料粉末，将所取粉末置入混粉机中混合30分钟至混合均匀。

（3）将混合后得到的金属粉末烧结成预制块并进行固溶热处理，固溶温度480℃，固溶时间12小时。

（4）利用机械研磨工艺将合金预制块制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14。机械研磨合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。

（5）用所获得的成品粉末进行3D打印，打印参数为：建造速率：30cm³/h，激光扫描速度：8m/s，分层厚度：40μm。

通过上述方法制备的高强度Mg-12Gd-2Er-2Y-0.6Ca-0.5Zr镁合金材料，其燃点为929℃，密度为1.90g/cm³，屈服强度为260MPa，抗拉强度为370MPa，延伸率5.5%，相对耐磨性ε为10.8。

对比例1

本对比例是实施例1的对比例，提供一种Mg-6Gd-4Er-4Y镁合金材料，与实施例1所涉镁合金材料不同之处在于，不含Ca，制备步骤完全相同。

该镁合金材料的燃点为830℃，密度为1.82g/cm³，屈服强度为230MPa，抗拉强度为330MPa，延伸率4%，相对耐磨性ε为9.1。

对比例2

本对比例是实施例1的对比例，提供一种Mg-6Gd-4Er-4Y-0.2Ca镁合金材料，与实施例1所涉镁合金材料不同之处在于，Mg-6Gd-4Er-4Y-0.2Ca镁合金是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金）结合传统的熔炼工艺制备。

该镁合金材料的燃点为910℃，密度为1.83g/cm³，屈服强度为225MPa，抗拉强度为320MPa，延伸率3%，相对耐磨性ε为9。

对比例3

本对比例是实施例2的对比例，提供一种Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Zr镁合金材料，与实施例2所涉镁合金材料不同之处在于，不含Ca，制备步骤完全相同。

该镁合金材料的燃点为840℃，密度为1.91g/cm³，屈服强度为237MPa，抗拉强度为346MPa，延伸率3.8 %，相对耐磨性ε为10。

对比例4

本对比例是实施例2的对比例，提供一种Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Ca-1Zr镁合金材料，与实施例2所涉镁合金材料不同之处在于，Mg-18Gd-0.5Er-0.5Y-1Ca-1Zr镁合金是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金）结合传统的熔炼工艺制备。

该镁合金材料的燃点为945℃，密度为1.92g/cm³，屈服强度为228MPa，抗拉强度为337MPa，延伸率3.2 %，相对耐磨性ε为10.2。

对比例5

本对比例是实施例3的对比例，提供一种Mg-12Gd-2Er-2Y-0.5Zr镁合金材料，与实施例3所涉镁合金材料不同之处在于，不含Ca，制备步骤完全相同。

该镁合金材料的燃点为842℃，密度为1.91g/cm³，屈服强度为250MPa，抗拉强度为360MPa，延伸率5%，相对耐磨性ε为9.9。

对比例6

本对比例是实施例3的对比例，提供一种Mg-12Gd-2Er-2Y-0.6Ca-0.5Zr镁合金材料，与实施例3所涉镁合金材料不同之处在于，Mg-12Gd-2Er-2Y-0.6Ca-0.5Zr镁合金是用原材料（纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金）结合传统的熔炼工艺制备。

该镁合金材料的燃点为910℃，密度为1.90g/cm³，屈服强度为240MPa，抗拉强度为350MPa，延伸率5%，相对耐磨性ε为10.2。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种三维打印用高强度合金，其特征在于，所述高强度合金由如下按重量百分数计的各元素组成：12wt.%Gd，2wt.%Er，2wt.%Y，0.6wt.%Ca，0.5wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质；

三维打印用高强度合金不是用原材料结合传统的熔炼工艺制备，而是依次按照以下步骤进行：

（1）利用机械研磨工艺将原材料纯镁、纯钙、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14；

（2）按照Mg-Gd-Er-Y-Ca-Zr镁合金各元素的具体含量，称取各类原材料粉末，将所取粉末置入混粉机中混合30分钟至混合均匀；

（3）将混合后得到的金属粉末烧结成预制块并进行固溶热处理，固溶温度480℃，固溶时间12小时；

（4）利用机械研磨工艺将合金预制块制成球形粉末，粒径15~125μm，含氧量0.06~0.14；

（5）用所获得的成品粉末进行3D打印，打印参数为：建造速率：30cm³/h，激光扫描速度：8m/s，分层厚度：40μm。

2.一种三维打印零件，其特征在于，使用权利要求1所述的三维打印用高强度合金经三维打印制成。