CN111360257A - 一种提升3d打印高强铝合金粉末成形性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，在激光选区熔化成形设备中使用气雾化法制备得到的Al‑Mg‑Sc系高强铝合金粉末，所述合金的成分及含量，以质量百分比计：Mg：3～6％；Sc：0.1～2％；Zr：0.1～0.8％；Mn：0.2～1％，余量由铝组成。通过优化成形工艺，即调整烧结策略，降低单层烧结能量密度，提升片层厚度至0.04～0.07mm，采用层层单烧的方式，即对单层合金粉末进行2次激光扫描，通过第2次激光扫描，可使第1次激光扫描凝固后的合金表面发生重熔，避免因单一扫描导致的未熔透现象，有效减少成型件内部孔洞和裂纹，提升制件成形率，最终获得综合性能优异的高强铝合金制件。

Description

一种提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种激光选区熔化制备Al-Mg-Sc系高强铝合金的方法。
背景技术
铝合金因具有密度小、成本低、高比强度、耐蚀性、可加工性等优势，广泛应用于航空、航天、武器、船舶等武器装备领域，对现代化工业的发展至关重要。近百年来，铝合金构件主要通过铸造、焊接等传统加工方式成形，由于在固溶处理过程中合金元素在基体中的析出导致某些合金元素的固溶度受限，随着发动机极高推进比的不断刷新，逐渐难以满足现代科学技术的发展对材料越来越高的要求。
金属3D打印是快速成型技术的一个分支，它是采用金属粉末为原材料，以数字模型文件为基础，通过材料自下而上层层累加而制作各种复杂的结构，是一种新型的材料成型技术。通过逐层烧结的方式成形，可用于制造轻量化、精密构件。目前，激光增材制造技术正在成为解决大型飞机复杂构件制造的有效途径，其中尤其是以基于粉床的选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)和激光熔融沉积(Laser melting deposition,LMD)成形技术为代表。
3D打印用铝合金粉末一般采用真空感应气雾化制粉技术制备。但是该种制备技术制备出的粉末存在卫星粉比例大、粉末易团聚(黏性大)、粉末流动性差等显著缺点，容易导致粉末在设备中铺粉状态差，出现局部缺粉，成形过程零件内部存在缺陷甚至无法成形。
此外，Al-Mg-Sc系铝合金的合金化程度高，凝固范围大，热裂敏感性高，在选区激光熔化过程中产生的高温(3000℃以上)、微熔池(20-120μm)、急速冷却凝固条件(凝固速率高达5m/s)下，极易因凝固收缩产生孔洞及贯穿整个晶粒的热裂纹缺陷并沿晶界扩展，严重影响该合金的成形性和力学性能。与此同时，在选区激光熔化过程中，因该类型铝合金的流动性较差，得到成型件的致密度无法比拟以AlSi10Mg铸造铝合金为典型代表的近乎100％的致密度，也会影响制件的强度、塑性和疲劳性能。
因此，兼具强韧性能是铝合金SLM成形长期存在的难题。通过合金成分及制造工艺的调整，提升选区激光熔化成型Al-Mg-Sc系铝合金的成形性和力学性能目前已成为主流研究方向。
发明内容
针对现有激光选区熔化成形Al-Mg-Sc系合金成形困难及内部缺陷难以消除等难点，本发明的目的在于提供一种适用于规模化生产，易操作且能显著提升3D打印高强铝合金粉末成形性和力学性能的方法。
为实现上述发明目的，本发明拟采用的技术方案如下：
一种适用于激光选区熔化成形的Al-Mg-Sc系高强铝合金粉末，所述合金的成分及含量，以质量百分比计：Mg：3～6％；Sc：0.1～2％；Zr：0.1～0.8％；Mn：0.2～1％，余量由铝组成，总质量为100％。
一种提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，包括以下步骤：
(1)所述气雾化法制备的Al-Mg-Sc合金球形粉末粒径范围为20～80μm；
(2)利用三维软件将所需制件的三维模型转换成可分切的数据格式，并分切成厚度为0.04～0.07mm的多层数据，导入激光选区熔化成形设备；
(3)在可拆卸的基板上铺一层步骤(1)所得粉末，调用步骤(2)所述多层数据的程序，沿成形制件的截面的几何形状进行第1次激光扫描，形成一层选区激光熔化层；
(4)基板高度不降，然后根据步骤(2)所述多层数据的对应数据，扫描方向沿步骤(3)所述扫描方向顺时针转动30～80度，在步骤(3)所述选区激光熔化层的凝固表面进行第2次激光扫描；
(5)将基板下降0.04～0.07mm的高度，在步骤(4)所述选区激光熔化层的上表面铺一层新的步骤(1)所得粉末，然后根据步骤(2)所述的切片后的多层数据，重复步骤(3)和步骤(4)扫描策略，用激光沿成形制件的截面完成2次扫描，扫描方向即为步骤(4)所述扫描的方向依次顺时针转动30～80度；
(6)逐层重复前序步骤，直至完成整个制件。
所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法中，成形过程中铺粉层厚为0.04～0.07mm，激光扫描功率为140～200W，扫描速度为500～1500mm/s。
所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法中，还包括：对上述成形方式所得制件进行热处理，热处理制度200～400℃，保温2～10h，得到所述兼具成形性和力学性能的Al-Mg-Sc系合金的制件。
本发明的有益效果：由于激光选区熔化成形过程非平衡凝固及熔融后急速冷却的工艺特性，容易形成具有柱状晶和周期性裂缝的微结构。Sc不仅可以促进铝合金晶粒细化，同时可与Al发生反应，形成Al3Sc，通过阻碍位错运动，提升合金强度。Zr成本低，且同样具备晶粒细化的作用，复合调整Sc和Zr的含量，配合后续热处理工艺，可在确保塑性的条件下，有效提升Al-Mg-Sc系合金的强度。
传统激光选区熔化成形过程中，铝合金制件成形采用单层铺粉烧结的策略，但因Al-Mg-Sc系合金自身的热裂敏感性等固有特性，同时气雾化法制备的球形具有粉末流动性差、黏性大等特点，成形过程容易产生裂纹及未熔合孔洞，极大影响制件的成形及综合性能。基于以上问题，本发明通过优化成形工艺，即调整烧结策略，降低单层烧结能量密度，提升片层厚度至0.04～0.07mm，采用层层单烧的方式，即对单层合金粉末进行2次激光扫描，通过第2次激光扫描，可使第1次激光扫描凝固后合金表面发生重熔，避免因单一扫描导致的未熔透现象，有效减少成型件内部孔洞和裂纹，提升制件成形率，最终获得综合性能优异的高强铝合金制件。
使用本发明制备的激光选区熔化Al-Mg-Sc系铝合金制件，零件成形不产生裂纹，成型率高，拉伸强度和延伸率都远高于传统3D打印用的AlSi10Mg等合金，抗拉强度可达520MPa以上，延伸率可超过15％。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更清楚明白，以下列举实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
选用如下质量百分比的Al-Mg-Sc系合金：Mg：5％，Sc：1％，Zr：0.4％；Mn：0.6％，其余为Al。粉末粒径分布为20～80μm。
铝合金制件成形步骤如下：
(1)利用三维软件将所需制件的三维模型转换成可分切的数据格式，并分切成厚度为0.06mm的多层数据，导入激光选区熔化成形设备；
(2)在可拆卸的基板上铺一层合金粉末，调用步骤(1)所述多层数据的程序，沿成形制件的截面进行第1次激光扫描，形成一层选区激光熔化层；
(3)基板高度不降，调用程序，扫描方向沿步骤(2)所述扫描的方向顺时针转动70度，在步骤(2)所述选区激光熔化层的凝固表面进行第2次激光扫描；
(4)将基板下降0.06mm的高度，在步骤(3)所述选区激光熔化层的上表面铺一层粉末，重复步骤(2)和步骤(3)扫描策略，用激光沿成形制件的截面完成2次扫描，扫描方向即为步骤(3)所述扫描方向依次顺时针转动70度；
(5)逐层重复前序步骤，直至完成整个制件。
所述的Al-Mg-Sc系合金成形的方法中，成形过程中铺粉层厚为0.06mm，激光扫描功率为150W，扫描速度为1000mm/s。通过上述方式制备的铝合金制件内部基本无孔洞和裂纹，成型率高。
热处理温度300℃，保温5h，制件的抗拉强度达520MPa以上，延伸率可超过15％。
实施例2：(对比实施例)
选用与实施例1相同的Al-Mg-Sc-Zr合金，成分及含量保持一致，修改扫描策略，验证方案的有效性。
烧结策略：铺粉层厚0.04mm，在基板上铺一层如上述合金粉末，打开激光沿制件的截面进行一次扫描，扫描功率为350W，扫描速率为1500mm/s，基板下降一个层厚，铺粉继续扫描，重复直至制件成形。热处理温度和时间与实施例1保持一致。
观察成形过程，容易发现，随着铺粉层厚的累积，当局部出现铺粉状态差，烧结异常时，无法及时调整，最终会产生熔合不均匀，制件成形率极低。
通过光镜对制件进行剖切观察可知，微观组织有较多孔洞及延展性裂纹显示，进一步对制件进行力学性能检测，该类制件的抗拉强度普遍低于400MPa以上，延伸率5～8％。
结合实施例1和实施例2，通过调整烧结策略，降低单层烧结能量密度，提升片层厚度至0.04～0.07mm，采用层层单烧的方式，可以有效改善制件内部孔洞和裂纹，提升制件成形率，最终获得综合性能优异的高强铝合金制件。

Claims (5)

1.一种提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，其特征在于，在激光选区熔化成形设备中使用气雾化法制备得到的Al-Mg-Sc系高强铝合金粉末，所述合金的成分及含量，以质量百分比计：Mg：3～6％；Sc：0.1～2％；Zr：0.1～0.8％；Mn：0.2～1％，余量由铝组成，通过优化成形工艺，即调整烧结策略，降低单层烧结能量密度，提升片层厚度至0.04～0.07mm，采用层层单烧的方式，即对单层合金粉末进行2次激光扫描，通过第2次激光扫描，可使第1次激光扫描凝固后合金表面发生重熔，避免因单一扫描导致的未熔透现象，有效减少成型件内部孔洞和裂纹，提升制件成形率，最终获得综合性能优异的高强铝合金制件。
2.根据权利要求1所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，所述合金的成分及含量，以质量百分比计：Mg：3～6％；Sc：0.1～2％；Zr：0.1～0.8％；Mn：0.2～1％，余量由铝组成，总质量为100％。
3.根据权利要求1所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，包括以下步骤：
(1)所述气雾化法制备的Al-Mg-Sc合金球形粉末粒径范围为20～80μm；
(2)利用三维软件将所需制件的三维模型转换成可分切的数据格式，并分切成厚度为0.04～0.07mm的多层数据，导入激光选区熔化成形设备；
(3)在可拆卸的基板上铺一层步骤(1)所得粉末，调用步骤(2)所述多层数据的程序，沿成形制件截面的几何形状进行第1次激光扫描，形成一层选区激光熔化层；
(4)基板高度不降，然后根据步骤(2)所述多层数据的对应数据，扫描方向沿步骤(3)所述扫描方向顺时针转动30～80度，在步骤(3)所述选区激光熔化层的凝固表面进行第2次激光扫描；
(5)将基板下降0.04～0.07mm的高度，在步骤(4)所述选区激光熔化层的上表面铺一层新的步骤(1)所得粉末，然后根据步骤(2)的切片后的多层数据，重复步骤(3)和步骤(4)扫描策略，用激光沿成形制件的截面完成2次扫描，扫描方向即为步骤(4)所述扫描方向依次顺时针转动30～80度；
(6)逐层重复前序步骤，直至完成整个制件。
4.根据权利要求1所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，其中，成形过程中铺粉层厚为0.04～0.07mm，激光扫描功率为140～200W，扫描速度为500～1500mm/s。
5.根据权利要求1所述的提升3D打印高强铝合金粉末成形性的方法，还包括：将权利要求3所得制件进行热处理，热处理制度200～400℃保温2～10h，得到兼具成形性和力学性能的Al-Mg-Sc合金制件。
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