CN111531172A - 高强度铝硅合金的3d打印工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，属于3D打印技术领域。首先将铝硅合金原料在真空加热熔融使其充分混合均匀，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，将其碎裂得气雾化颗粒，冷却后即得通过气雾化技术制得铝硅合金粉末，对铝硅合金粉末进行筛分；然后将粉末干燥后，调整打印参数，在通入惰性气体的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印。与现有技术相比，本发明方法能够打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品，其密度可达到粉末真密度的98％以上。维氏硬度可达160‑200HV，抗拉强度可达450‑520MPa，抗弯强度可达600‑750MPa，皆高于同成分的铸造铝硅合金产品及其他3D打印铝硅合金产品。该方法还可用于打印复杂的铝硅合金零件，具有明显的技术优势。

Description

高强度铝硅合金的3D打印工艺方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其是涉及高强度铝硅合金的3D打印工艺方法。
背景技术
3D打印是一种利用三维模型数据，通过层层累积的方式获得具有复杂形状产品的制备技术。与传统塑料、陶瓷、金属和合金以及复合材料的制备方法相比，3D打印技术具有能制备高精度及复杂形状产品、节约原材料、节约成本等一系列优势，具有良好的应用前景。目前常用的3D打印方法包括直接三维打印成型技术(3DP)，选择性激光熔化技术(SLM)，立体光固化技术(SLA)，熔融沉积技术(FDM)等，其中选择性激光熔化技术(SLM)被广泛应用于金属粉末的3D打印。目前可用于SLM的金属及合金主要有不锈钢、钛合金、铝合金等，主要应用于航空航天及汽车工业。
铝合金是在3D打印制造技术中被广泛关注的一种材料，它具有重量轻、熔点低和可塑性高等特点，铝的重量密度比钛轻1.7倍，使用铝合金可以大大减轻零件的总重量，因此铝合金在汽车轻量化和航空航天工业中具有广泛的应用前景。但是，通过选择性激光熔融方法制造铝合金仍然存在很多技术难题：与钛或钢的SLM相比，由于铝及铝合金的高导热率和反射率，需要更高的激光辐射功率。铝合金粉末容易氧化，粉末颗粒上的氧化膜会阻止其烧结，因此打印产品可能会有较高的孔隙率。也由于这些技术难题，目前SLM打印的铝合金的强度都不高，甚至达不到相同成分的铸造铝合金的强度，但是成本比后者高得多。所以尽管工业界对3D打印铝合金有着很高的兴趣，但是市场上应用的3D打印铝合金产品还很有限，大部分的铝合金零件还是通过铸造来生产的。
铝合金粉末例如AlSi10Mg粉末经常被用来进行激光3D打印(CN202010014810.8、CN201810231923.6、CN201910334130.1专利都有涉及)，但是，铝合金容易氧化，对粉末来讲，其比表面积增大就更容易氧化，而氧化的粉末对打印产品的性能有着极大的影响。而且，用于打印的粉末原料对粉末粒径大小及均匀性、流动性及粉末纯度都有着较高的要求。所以国内目前采用的粉末原料制备技术要么制得的产品性能不好，要么制备技术复杂，成本较高，不能大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度铝硅合金的3D打印工艺方法。
本发明通过控制粉末品质，调整打印参数，改进打印工艺来获得表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，包括以下步骤：将高强度铝硅合金粉末干燥后，调整打印参数，在通入惰性气体的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印；所述高强度铝硅合金粉末的制备方法如下：将铝硅合金原料在真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀；采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，将其碎裂得气雾化颗粒，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分就得到所需粒径范围内的用于3D打印的铝硅合金粉末。
在本发明的一个实施方式中，铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内加热熔融，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终高强度铝硅合金粉末中Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al。
在本发明的一个实施方式中，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553284.7公开的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴、中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴以及中国专利CN201410553799.7公开的单级融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。
在本发明的一个实施方式中，所述高速压缩气流选自高纯氩气或氮气，所述高速压缩气流的气体压力为1.6-2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3-0.7kPa。
在本发明的一个实施方式中，气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分的方式为旋风分级筛分方式，对铝硅合金粉末进行筛分后，所述高强度铝硅合金粉末粒径范围为10-60μm。
在本发明的一个实施方式中，所述高强度铝硅合金中，Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al，纯度较高。所述高强度铝硅合金平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.60-2.68g/cm3之间，70％-90％的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好，由于整个熔融和雾化过程都在真空下进行，有效减少氧的影响，避免粉末生产过程中发生氧化。
在本发明的一个实施方式中，所述3D打印方法为选择性激光熔融(SLM)。
在本发明的一个实施方式中，对高强度铝硅合金粉末干燥的方法为进行5-12h真空干燥。
在本发明的一个实施方式中，所述打印设备为SLM打印设备采用常规设备即可，包括激光发生装置以及含有粉料缸和成型缸的腔室，将粉末放入SLM打印机的腔室后，打印时腔体密闭，通入惰性气体，使腔室内的氧含量低于0.2％，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化。然后还要用激光对喷砂处理后的基板进行预热，再根据零件的三维模型进行选择性激光烧结，烧结所选用的激光束斑直径为40-70μm，再开始打印产品。
在本发明的一个实施方式中，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描喷砂处理后的基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印。所述调整后的打印参数设置为激光功率在150W-500W之间，扫描速率在500-1800mm/s之间，打印层厚为30-60μm，扫描间距为80-180μm。
在本发明的一个实施方式中，所述惰性气体可以选择为氩气。
采用本发明的方法3D打印能够打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品，3D打印的高强度铝硅合金产品其密度可达到粉末真密度的98％以上，维氏硬度可达160-200，抗拉强度可达400-450MPa，抗弯强度可达600-750MPa。
与现有技术相比，本发明采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，可以大批量低成本地获得高品质的3D打印金属粉末，有利于提高打印产品的性能。同时，硅的加入可以降低铝对激光的反射率，降低铝合金的熔点，使铝合金具有更好的加工性，减小裂纹形成的可能性。而且，硅的含量对铝合金的强度有着明显的影响，可以通过调控合金中硅的含量来调整打印产品的力学性能。
具体而言，本发明技术方案具有以下有益效果：
(1)能够制得性能更优异且稳定的铝硅合金粉末。所得铝硅粉末纯度达到99％以上，成分均匀。能够更好地控制粉末颗粒形状，70％-90％的粉末颗粒形状为球形，具有更好的流动性。粉末平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径在10-60μm内，能够获得更细的粉末颗粒，同时颗粒粒径分布更窄。
(2)制得的铝硅合金粉末用于SLM，可以获得性能更好的3D打印产品，其力学性能优于同成分的铸造及其他3D打印的铝硅合金；
(3)制得的铝硅合金粉末中含有微量Fe，Cu元素，微量Fe元素的存在可以形成细弥的Al-Fe化合物相，有利于增加材料的强度和硬度；Cu是促形核的细晶化元素，用意保证晶粒细小均匀；Al-Cu相也是铝合金常见的增强相。
(4)能够大规模生产用于3D打印的铝硅合金粉末，由于整个熔融和雾化过程都在真空下进行，有效减少氧的影响，避免粉末生产过程中发生氧化，通过改变雾化合金配比还能控制所生产粉末中各个元素成分的含量；
(5)整个雾化过程中，对原料的浪费较少，生产效率高，在保证铝硅合金粉末性能的前提下，其成本可降低4-10倍；进口铝合金粉末以AlSi10Mg为例，每千克需要500-1000RMB，但本发明所述铝硅合金粉末成本可低至150RMB以下；
(6)本发明在SLM打印过程中控制粉末粒径在10-60μm的范围之间，保证粉末颗粒有着高球形度和尽可能低的含水量，使粉末流动性更好，同时在较低含氧量的条件下进行烧结，尽量避免粉末氧化。这一系列措施能够有效减少孔洞、裂纹等缺陷的产生，提高打印产品的强度等力学性能。
本发明通过不断调整打印参数，减少孔洞、裂纹等缺陷的产生，打印出了高强度的铝硅合金。该方法还适用于打印复杂的铝硅合金零件，具有明显的技术优势。
附图说明
图1实施例1中粉末的XRD图谱；
图2实施例1中粉末颗粒形状SEM图；
图3实施例1中粉末粒径分布图；
图4实施例5所得产品的应力-应变曲线；
图5实施例5所得产品在200℃下的应力-应变曲线；
图6实施例5所得产品平行于打印方向上的金相显微镜图；
图7实施例5所得产品垂直于打印方向上的金相显微镜图。
图6与图7中标尺均表示100μm。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
按照4：1的质量比分别取铝硅原料在660℃下真空加热熔融并保温半小时后，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴，雾化气体为高纯氩气，雾化时的气体压力为2MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.5kPa，一级谐振气体频率为100kHz。气体雾化后，通过旋风分级方式筛选出10-45μm粒径的粉末，并进行收集，制得铝硅合金粉末。
通过ICP-AES方法对铝硅合金粉末的成分进行分析，确定其成分为：Si含量为24.56％wt，Fe含量为0.20％wt，Cu含量为0.05％wt，其余为Al，成分均匀。
参考图1所示粉末的XRD图谱(图1中没有示出Fe、Cu，原因是其含量太低)。
所得铝硅合金粉末中75％以上的粉末颗粒形状为球形，粉末流动性好，参考图2所示粉末颗粒形状SEM图。粉末平均粒径为29.68μm，90％以上的粉末粒径在10-45μm内，颗粒粒径分布窄，参考图3所示粉末粒径分布图。制备的粉末真密度为2.65g/cm3。
实施例2
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在630℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt，Al含量为84.6％wt，Fe含量为0.28wt％，Cu含量为0.12wt％；
采用高速压缩气流(高纯氩气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为1.6MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553284.7公开的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，Si含量为15％wt，Al含量为84.6％wt，Fe含量为0.28wt％，Cu含量为0.12wt％，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径为25.7μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度为2.60g/cm3之间，70％以上的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
实施例3
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在660℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为20％wt，Al含量为79.8％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％；
采用高速压缩气流(高纯氩气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为2.00MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.4kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，Si含量为20％wt，Al含量为79.8％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径在31μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.64g/cm3之间，80％以上的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
实施例4
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为29.8％wt，Al含量为70％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％；
采用高速压缩气流(高纯氮气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.7kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553799.7公开的单级融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，Si含量为29.8％wt，Al含量为70％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径约为30.5μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度约为2.68g/cm3，90％的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
实施例5
以实施例1所制备的粉末进行3D打印，先将粉末在70℃的真空干燥箱中干燥12h，然后将该粉末加入到汉邦HBD-SLM100打印机(所用激光束斑直径为50μm)的腔室中，通入氩气，使腔室内的氧含量低于0.1％，然后激光扫描2次对基板进行预热，接着根据零件的三维模型进行铺粉打印。打印参数设置为激光功率180W，扫描速率500mm/s，打印层厚为30μm，扫描间距为130μm，扫描策略为棋盘格。
采用本发明的方法3D打印能够打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品。打印出的拉伸和弯曲样品，表面光滑无裂纹(可以参考图6所示产品平行于打印方向上的金相显微镜图以及图7所示产品垂直于打印方向上的金相显微镜图，可以看出产品的相对密度可达99％，相对密度用阿基米德法测得，具体而言就是先测出粉末真密度，再用排水法测出打印产品的密度，后者对前者的比值即为相对密度，金相图进一步说明组织致密，接近致密无裂纹，无大孔洞，只有少数小气孔，对产品拉伸等性能几乎没有影响)，所得产品维氏硬度均值为185HV，室温下的抗拉强度约为505MPa，屈服强度约为392MPa，伸长率约为2.6％，抗弯强度均值约为662MPa，200℃下的抗拉强度为299MPa，所得产品的应力-应变曲线参考图4。所得产品在200℃下的应力-应变曲线参考图5。
铝硅合金粉末在汉邦HBD-SLM100打印机上进行打印，所得产品的硬度和拉伸强度均高于相同成分的铸造及其他3D打印铝合金。
表1铸造和各种SLM铝硅合金的硬度和拉伸性能对比
HV σ<sub>b</sub>[MPa] σ<sub>0.2</sub>[MPa] A[％]
实施例1 185 505 392 2.6
Cast+AlSi20 / 120-162 95-105 0.37-4.6
SLM+AlSi7Mg 124-133 368-390 200-225 9.2-17.5
SLM+AlSi10Mg 106-150 315-446 160-270 1.1-8
SLM+AlSi12 110-150 342-418 150-260 2.8-5
实施例6
以实施例2所制备的粉末进行3D打印，先将粉末在50℃的真空干燥箱中干燥12h，然后将该粉末加入到汉邦HBD-SLM100打印机(所用激光束斑直径为40μm)的腔室中，打印时腔体密闭，通入惰性气体氩气，使腔室内的氧含量低于0.2％，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化。然后还要用激光对基板进行预热，再根据零件的三维模型进行选择性激光烧结，再开始根据零件的三维模型开始铺粉打印。所述调整后的打印参数设置为激光功率在150W之间，扫描速率在600mm/s，打印层厚为40μm，扫描间距为80μm，扫描策略为棋盘格。
采用本发明的方法3D打印能够打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品。3D打印的高强度铝硅合金产品其密度可达到粉末真密度的98％以上，其维氏硬度均值为165HV，室温下的抗拉强度约为482MPa，屈服强度约为352MPa，伸长率约为3.5％，抗弯强度均值约为596MPa，200℃下的抗拉强度为295MPa；均高于相同成分的铸造铝合金及其他3D打印铝合金。
实施例7
以实施例4所制备的粉末进行3D打印，先将粉末在90℃的真空干燥箱中干燥5h，然后将该粉末加入到汉邦HBD-SLM100打印机(所用激光束斑直径为70μm)的腔室中，打印时腔体密闭，通入惰性气体氩气，使腔室内的氧含量低于0.2％，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化。然后还要用激光对基板进行预热，再根据零件的三维模型进行选择性激光烧结，再开始根据零件的三维模型开始铺粉打印。所述调整后的打印参数设置为激光功率在500W之间，扫描速率1800mm/s，打印层厚为60μm，扫描间距为180μm，扫描策略为棋盘格。
采用本发明的方法3D打印能够打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品。3D打印的高强度铝硅合金产品其密度可达到粉末真密度的98％以上，其维氏硬度均值为200HV，室温下的抗拉强度约为510MPa，屈服强度约为398MPa，伸长率约为1.7％，抗弯强度均值约为729MPa，200℃下的抗拉强度为299MPa，200℃下屈服强度227，200℃伸长率3.4，均高于相同成分的铸造铝合金及其他3D打印铝合金。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高强度铝硅合金粉末干燥后，调整打印参数，在通入惰性气体的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印；
所述高强度铝硅合金粉末的制备方法如下：
将铝硅合金原料在真空加热熔融后，使其充分混合均匀；采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，将其碎裂得气雾化颗粒，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分就得到所需粒径范围内的用于3D打印的铝硅合金粉末。
2.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内加热熔融，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al。
3.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。
4.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述高速压缩气流选自高纯氩气或氮气，所述高速压缩气流的气体压力为1.6-2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3-0.7kPa。
5.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分的方式为旋风分级筛分方式，对铝硅合金粉末进行筛分后，所述高强度铝硅合金粉末粒径范围为10-60μm。
6.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述高强度铝硅合金平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.60-2.68g/cm3之间，70％-90％的粉末颗粒为球形。
7.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述3D打印方法为选择性激光熔融。
8.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述打印设备为SLM打印设备，包括激光发生装置以及含有粉料缸和成型缸的腔室，打印时腔体密闭，通入惰性气体，使腔室内的氧含量低于0.2％后还要用激光对基板进行预热，再开始打印产品。
9.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述调整后的打印参数设置为激光功率在150W-500W之间，扫描速率在500-1800mm/s之间，打印层厚为30-60μm，扫描间距为80-180μm。
10.根据权利要求1所述高强度铝硅合金的3D打印工艺方法，其特征在于，3D打印的高强度铝硅合金产品其密度可达到粉末真密度的98％以上，维氏硬度达160-200HV，抗拉强度达450-520MPa，抗弯强度达600-750MPa。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113245541A (zh) * 2021-04-15 2021-08-13 同济大学 一种用于选择性激光熔化的高性能铝硅合金粉末材料
CN113458732A (zh) * 2021-07-12 2021-10-01 中南大学 一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺
CN114309610A (zh) * 2021-09-03 2022-04-12 深圳市万泽中南研究院有限公司 一种制备粉末高温合金制件的方法和制件

Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000073135A (ja) * 1998-08-27 2000-03-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 耐摩耗性部材、その製造方法、ならびにそれに使用するアルミニウム合金粉末
US20020008021A1 (en) * 1998-03-10 2002-01-24 Martin Weigert Sputtering target for depositing silicon layers in their nitride or oxide form and a process for its preparation
EP1840240A1 (en) * 2005-01-18 2007-10-03 Nippon Mining & Metals Co., Ltd. Sb-Te BASED ALLOY POWDER FOR SINTERING AND SINTERED SPUTTERING TARGET PREPARED BY SINTERING SAID POWDER, AND METHOD FOR PREPARING Sb-Te BASED ALLOY POWDER FOR SINTERING
US20090026072A1 (en) * 2007-07-24 2009-01-29 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel Ltd.) Al-ni-la-si system al-based alloy sputtering target and process for producing the same
CN103551565A (zh) * 2013-10-30 2014-02-05 武汉欣达磁性材料有限公司 软磁铁硅铝镍合金粉末的制造方法
CN104368820A (zh) * 2014-10-17 2015-02-25 同济大学 一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴
CN104959620A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 泸溪县群祥新材料有限责任公司 快速凝固微细球形高硅高耐磨铝硅合金粉末的制备方法
CA2943886A1 (en) * 2014-04-11 2015-10-15 Gkn Sinter Metals, Llc Aluminum alloy powder formulations with silicon additions for mechanical property improvements
CN105970083A (zh) * 2016-06-06 2016-09-28 古前春 一种铁硅铝合金粉末的制造工艺
CN107716918A (zh) * 2017-09-21 2018-02-23 北京宝航新材料有限公司 一种AlSi10Mg粉末材料及其制备方法和其应用
CN108103366A (zh) * 2017-11-15 2018-06-01 上海工程技术大学 一种复层Al-Si合金及其制备方法
CN108465807A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中南大学 一种高强度Al-Mg-Sc合金粉末、其制备方法、在3D打印中的应用及其3D打印方法
CN109482895A (zh) * 2019-01-22 2019-03-19 上海材料研究所 一种3d打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法
EP3459659A1 (en) * 2017-08-04 2019-03-27 Miasolé Equipment Integration (Fujian) Co., Ltd. Alloy powder and preparation method therefor
CN109706353A (zh) * 2019-02-28 2019-05-03 中南大学 一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成形方法
CN110014153A (zh) * 2019-04-24 2019-07-16 同济大学 一种利用3d打印制备周期性铝合金晶格结构的方法
CN110681869A (zh) * 2019-10-15 2020-01-14 上海交通大学 选区激光熔化增材制造技术制备高强韧镁稀土合金的方法
CN111001800A (zh) * 2019-11-20 2020-04-14 中南大学 一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020008021A1 (en) * 1998-03-10 2002-01-24 Martin Weigert Sputtering target for depositing silicon layers in their nitride or oxide form and a process for its preparation
JP2000073135A (ja) * 1998-08-27 2000-03-07 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 耐摩耗性部材、その製造方法、ならびにそれに使用するアルミニウム合金粉末
EP1840240A1 (en) * 2005-01-18 2007-10-03 Nippon Mining & Metals Co., Ltd. Sb-Te BASED ALLOY POWDER FOR SINTERING AND SINTERED SPUTTERING TARGET PREPARED BY SINTERING SAID POWDER, AND METHOD FOR PREPARING Sb-Te BASED ALLOY POWDER FOR SINTERING
US20090026072A1 (en) * 2007-07-24 2009-01-29 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel Ltd.) Al-ni-la-si system al-based alloy sputtering target and process for producing the same
CN103551565A (zh) * 2013-10-30 2014-02-05 武汉欣达磁性材料有限公司 软磁铁硅铝镍合金粉末的制造方法
CA2943886A1 (en) * 2014-04-11 2015-10-15 Gkn Sinter Metals, Llc Aluminum alloy powder formulations with silicon additions for mechanical property improvements
CN104368820A (zh) * 2014-10-17 2015-02-25 同济大学 一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴
CN104959620A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 泸溪县群祥新材料有限责任公司 快速凝固微细球形高硅高耐磨铝硅合金粉末的制备方法
CN105970083A (zh) * 2016-06-06 2016-09-28 古前春 一种铁硅铝合金粉末的制造工艺
EP3459659A1 (en) * 2017-08-04 2019-03-27 Miasolé Equipment Integration (Fujian) Co., Ltd. Alloy powder and preparation method therefor
CN107716918A (zh) * 2017-09-21 2018-02-23 北京宝航新材料有限公司 一种AlSi10Mg粉末材料及其制备方法和其应用
CN108103366A (zh) * 2017-11-15 2018-06-01 上海工程技术大学 一种复层Al-Si合金及其制备方法
CN108465807A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中南大学 一种高强度Al-Mg-Sc合金粉末、其制备方法、在3D打印中的应用及其3D打印方法
CN109482895A (zh) * 2019-01-22 2019-03-19 上海材料研究所 一种3d打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法
CN109706353A (zh) * 2019-02-28 2019-05-03 中南大学 一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成形方法
CN110014153A (zh) * 2019-04-24 2019-07-16 同济大学 一种利用3d打印制备周期性铝合金晶格结构的方法
CN110681869A (zh) * 2019-10-15 2020-01-14 上海交通大学 选区激光熔化增材制造技术制备高强韧镁稀土合金的方法
CN111001800A (zh) * 2019-11-20 2020-04-14 中南大学 一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周晓霞: "铝硅合金中铁相存在的形态及影响其形成的因素", 《广东有色金属学报》 *
谢壮德: "气体雾化高硅铝合金粉末形貌特征及尺寸分布", 《特种铸造及有色合金》 *
郑增: "3D打印金属材料研究进展", 《上海有色金属》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113245541A (zh) * 2021-04-15 2021-08-13 同济大学 一种用于选择性激光熔化的高性能铝硅合金粉末材料
CN113458732A (zh) * 2021-07-12 2021-10-01 中南大学 一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺
CN114309610A (zh) * 2021-09-03 2022-04-12 深圳市万泽中南研究院有限公司 一种制备粉末高温合金制件的方法和制件

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