CN111360267A - 一种基于slm工艺优化铝合金构件力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，在SLM工艺中不同的处理流程中，使用不同的热处理温度处理铝合金构件，其中，200℃对应去应力退火的过程；280℃对应二次结晶的过程；300℃对应二次结晶后长大的过程；320℃对应二次结晶后长大的过程。本发明采用非平衡冶金条件下得物理模型分析方法，制定出针对铝合金增材制造构件的热处理制度，达到优化铝合金构件的目的。本发明的优势在于在原有生产流程上构建了更加精准的热处理制度，优化铝合金构件力学性能的同时并没有造成生产成本的增加，适应于大规模工业生产的推广应用。

Description

一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法
技术领域
本发明涉及铝合金构件生产制造工艺技术领域，具体是指一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法。
背景技术
新型飞机大量采用长寿命、轻重量以及高生存力的结构设计，许多新工艺得到了快速发展。尤其是增材制造工艺(俗称3D打印)，该工艺凭借其高柔性、短流程、复杂结构一体化成形、热影响区域小、材料利用率高、操作自由度高、无污染、净成形等优势在复杂金属构件制造领域，特别是铝合金材料的金属构件制造方面得到了大规模应用。
随着装配要求的不断提高，对增材制造工艺尤其是激光选区熔化工艺(SLM)制造构件的力学性能要求也随之提升。特别是针对不同的装配条件和受力需求，需要对零件的力学性能进行调控，以满足实际使用的要求，这种情况就需要对铝合金构件的整体制造工艺进行优化，否则零件无法满足使用的需求，极有可能付出重大的代价。因此发展一种可靠稳定、易操作、无污染以及经济实用的激光选区熔化工艺制造的铝合金构件的力学性能调控方法变得十分迫切。
激光选区熔化工艺制造的铝合金构件其力学性能调控方法的关键在于，其方法的可操作性高、经济性好以及力学性能可以精准调控，同时尽量不改变原有的生产模式、生产工序等。这就要求在原有的生产工序上进行精确控制与修正，对影响铝合金构件力学性能的关键工序进行深入研究，研究该工序对铝合金的晶粒尺寸、组织致密度、晶界析出相等微观组织的作用机制，最终探索出激光选区熔化工艺铝合金构件的力学性能调控方法。因此深入研究整个铝合金材料SLM生产工艺过程，明确对铝合金构件力学性能起关键影响因素的工艺，并展开深入研究，找出最稳定的工艺参数是铝合金构件性能调控方法的关键点。现在还未见有相关基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的报道。
发明内容
本发明提出一种不增加生产成，适应于大规模工业生产的推广应用的铝合金构件力学性能调控方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法在SLM工艺中不同的处理流程中，使用不同的热处理温度处理铝合金构件。
其具体温度的探索过程如下：
1、对于激光选区熔化技术得到的铝合金构件以及试棒，进行表面清粉处理；
2、将铝合金构件以及试棒放入高温热处理炉，采用不同的热处理制度进行处理，分别加热至不同保温2h，空冷至室温；
3、对不同热处理制度下的铝合金构件微观金相组织进行观测；
4、对不同热处理制度下的铝合金构件进行力学性能测试。
铝合金材料SLM工艺制造流程主要包括铝合金粉末材料选取、打印制造工序、热处理、打磨检测、矫形试装等过程。对最终铝合金构件力学性能起影响作用的主要有铝合金粉末材料选取、打印制造工艺以及热处理制度这几个方面。其中对力学性能影响最为关键的环节就是热处理制度的选取。基于以上需求，本发明采用非平衡冶金条件下得物理模型分析方法，制定出针对铝合金增材制造构件的热处理制度，达到优化铝合金构件的目的。本发明的优势在于在原有生产流程上构建了更加精准的热处理制度，优化铝合金构件力学性能的同时并没有造成生产成本的增加，适应于大规模工业生产的推广应用。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，对所述铝合金构件进行热处理的时间为两小时。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述的铝合金构件使用的铝合金构件为AlSi10Mg。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述SLM工艺中不同的处理流程中使用的热处理温度如下：
200℃对应去应力退火的过程；
280℃对应二次结晶的过程；
300℃对应二次结晶后长大的过程；
320℃对应二次结晶后长大的过程。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，使用不同热处理温度处理所述铝合金构件的力学性能如下：
Figure BDA0002432564740000021
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述SLM工艺中不同的处理流程中使用的热处理温度通过Al—Si二元相图结合微观金相组织图获得。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过不同的热处理制度曲线可以精准的实现对激光选区熔化成形铝合金构件的力学性能调控，可以满足不同力学性能要求条件下(强度高、延伸率低；强度低、延伸率高；屈服高、延伸率低等)的铝合金构件；
(2)本发明基于Al—Si二元相图，即使铝合金AlSi10Mg的材料成分发生部分改变(主要是微量添加元素)，其调控趋势仍然可以适用，极大的节约了前期试验成本；
(3)本发明优势在于在原有生产流程上构建了更加精准的热处理制度，优化铝合金构件力学性能的同时并没有造成生产成本的增加，适应于大规模工业生产的推广应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
图1为本发明中AlSi10Mg的二元相图(Al—Si相图)；
图2为本发明中200℃热处理铝合金构件标尺为100μm的微观组织金相图；
图3为本发明中200℃热处理铝合金构件标尺为50μm的微观组织金相图；
图4为本发明中280℃热处理铝合金构件标尺为100μm的微观组织金相图；
图5为本发明中280℃热处理铝合金构件标尺为50μm的微观组织金相图；
图6为本发明中300℃热处理铝合金构件标尺为100μm的微观组织金相图；
图7为本发明中300℃热处理铝合金构件标尺为50μm的微观组织金相图；
图8为本发明中320℃热处理铝合金构件标尺为100μm的微观组织金相图。
图9为本发明中320℃热处理铝合金构件标尺为50μm的微观组织金相图。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，在SLM工艺中不同的处理流程中，使用不同的热处理温度处理铝合金构件。
其中，对所述铝合金构件进行热处理的时间为两小时；所述的铝合金构件使用的铝合金构件为AlSi10Mg。
所述SLM工艺中不同的处理流程中使用的热处理温度如下：
200℃对应去应力退火的过程；
280℃对应二次结晶的过程；
300℃对应二次结晶后长大的过程；
320℃对应二次结晶后长大的过程。
该热处理温度的获取过程，具体步骤如下：
(1)激光选区熔化工艺对AlSi10Mg这种材料进行构件以及试棒打印制造，其具体制造过程、试棒样品如图1所示，并对构件以及试棒进行表面粉末清理工作。
(2)将打印制造完成的铝合金构件以及试棒在一定时间内(通常为24小时内)放入高温热处理炉。
(3)基于非平衡冶金物理学模型的热处理制度制定，通过不同的热处理制度确定对所处理的铝合金构件以及试棒进行去应力退火、二次结晶、结晶后再长大等。这几种不同的处理工艺对应的不同的热处理制度，同时对应不同的铝合金构件以及试棒的力学性能指标。本发明针对AlSi10Mg这种常用3D打印铝合金材料的热处理制度提出修正方法，对其力学性能实现精准调控。
(4)铝合金材料AlSi10Mg的二元相图(Al—Si相图)如图1所示。根据相图可以看出，采用不同的热处理制度200℃、280℃、300℃、320℃，所对应的微观组织有明显区别，各项制度分别对应的组织结果有去应力、二次结晶、结晶后再生长等。由于微观组织的巨大差异，使得这几项热处理工艺所对应构件以及试棒的力学性能也不同。同一组激光选区熔化工艺打印制造的AlSi10Mg构件以及试棒采用不同热处理制度，热处理制度为加热至某一温度(温度数值选取根据相图选择200℃、280℃、300℃、320℃)保温2h，空冷至室温，然后对微观组织进行观测，如图2～9所示，分别呈现200℃热处理铝合金构件标尺为50μm和100μm的微观组织金相图，呈现280℃热处理铝合金构件标尺为50μm和100μm的微观组织金相图，呈现300℃热处理铝合金构件标尺为50μm和100μm的微观组织金相图，呈现320℃热处理铝合金构件标尺为50μm和100μm的微观组织金相图。
然后不同热处理温度下铝合金构件进行最终的力学性能测试，测试结果如下表：
热处理温度 拉伸强度(Rm/MPa) 屈服强度(Rp0.2/MPa) 延伸率(A/％)
200℃ 406 243 7.5
280℃ 353 236 9
300℃ 336 223 14
320℃ 282 177 17.5
(5)将测试结果录入工艺数据库，形成针对铝合金材料AlSi10Mg的激光选区熔化工艺热处理制度，对成形构件的拉伸强度、屈服强度以及延伸率等关键力学性能实现精确控制。
铝合金材料SLM工艺制造流程主要包括铝合金粉末材料选取、打印制造工序、热处理、打磨检测、矫形试装等过程。对最终铝合金构件力学性能起影响作用的主要有铝合金粉末材料选取、打印制造工艺以及热处理制度这几个方面。其中对力学性能影响最为关键的环节就是热处理制度的选取。基于以上需求，本发明采用非平衡冶金条件下得物理模型分析方法，制定出针对铝合金增材制造构件的热处理制度，达到优化铝合金构件的目的。本发明的优势在于在原有生产流程上构建了更加精准的热处理制度，优化铝合金构件力学性能的同时并没有造成生产成本的增加，适应于大规模工业生产的推广应用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，在SLM工艺中不同的处理流程中，使用不同的热处理温度处理铝合金构件。
2.根据权利要求1所述的一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，对所述铝合金构件进行热处理的时间为两小时。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，所述的铝合金构件使用的铝合金构件为AlSi10Mg。
4.根据权利要求3所述的一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，所述SLM工艺中不同的处理流程中使用的热处理温度如下：
200℃对应去应力退火的过程；
280℃对应二次结晶的过程；
300℃对应二次结晶后长大的过程；
320℃对应二次结晶后长大的过程。
5.根据权利要求4所述的一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，使用不同热处理温度处理所述铝合金构件的力学性能如下：
热处理温度 拉伸强度(Rm/MPa) 屈服强度(Rp0.2/MPa) 延伸率(A/％) 200℃ 406 243 7.5 280℃ 353 236 9 300℃ 336 223 14 320℃ 282 177 17.5
。
6.根据权利要求5所述的一种基于SLM工艺优化铝合金构件力学性能的方法，其特征在于，所述SLM工艺中不同的处理流程中使用的热处理温度通过Al—Si二元相图结合微观金相组织图获得。
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