CN111850332A

CN111850332A - 一种高强度铝锌合金的3d打印工艺方法

Info

Publication number: CN111850332A
Application number: CN202010614776.8A
Authority: CN
Inventors: 尹春月; 严彪; 严鹏飞
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2020-10-30

Abstract

本发明涉及高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，属于3D打印技术领域。首先，高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀；然后对熔融状态的高强度铝锌合金采用气雾化技术制得高品质的铝锌合金粉末，干燥后得到用于3D打印的铝锌合金粉末；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，得到以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品。与现有技术相比，采用该工艺方法打印出的产品，其相对密度可达99％以上，维氏硬度可达150HV以上，抗拉强度可达420MPa以上，延伸率可达7％，经过合适的热处理，样品的硬度可达170HV以上，抗拉强度可进一步提升到510MPa以上，延伸率保持在5％或以上。

Description

一种高强度铝锌合金的3D打印工艺方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种高强度铝锌合金的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)，选择性激光熔融技术(SLM)，立体光固化技术(SLA)，熔融沉积技术(FDM)等，其中选择性激光熔融技术(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等传统工艺来生产的。

目前大量用于铝合金3D打印的是有着较好铸造性能的铝硅合金，如AlSi10Mg，AlSi12等。通过SLM技术制备的铝硅合金其抗拉强度最高约为450MPa，延伸率在4％左右，拉伸强度适中且延伸率低。强度更高延展性更好的2xxx、7xxx等系列的铝合金由于在SLM加工过程中往往会产生大量裂纹，从而导致产品性能较差，远不能与常规制造的铝合金相比。目前通过SLM制备的铝硅合金经过热处理后其延展性略有上升，但拉伸性能却会大幅下降，热处理对其性能的提升效果有限，反而会破坏其精细的显微组织，造成性能降低。针对目前SLM铝合金的研究现状，设计和优化专用于SLM的铝合金可能是通过SLM制备高性能铝合金的一种有效途径。

研究发现，通过在合金中添加Sc等稀土元素，可以有效解决可锻铝合金由于SLM过程中的高冷却速率而造成的开裂问题，从而制备出表面光滑无裂纹的产品。同时，Sc还可形成纳米Al₃Sc沉淀物，进一步提高SLM铝合金的强度。但是，稀土元素含量较少，价格昂贵，不利于大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度铝锌合金的3D打印工艺方法。

本发明是通过控制粉末品质，调整打印参数，改进打印和热处理工艺来获得接近致密无裂纹的高强度铝锌合金产品的3D打印工艺方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，包括以下步骤：

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀；

对熔融状态的高强度铝锌合金采用气雾化技术制得高品质的铝锌合金粉末，干燥后得到用于3D打印的铝锌合金粉末；

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，得到以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品。

在本发明的一个实施方式中，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的化学组成：Zn含量为0.50％wt-11.00％wt，Si含量为0.10％wt-10.00％wt，Mg含量为0.05％wt-4.00％wt，Cu含量为0.01％wt-2.80％wt，Zr含量为0.01％wt-2.50％wt，其余为Al。

在本发明的一个实施方式中，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的粒径大小在10-60μm之间，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形，粉末颗粒大小均匀，流动性好，制备过程中不会被氧化，粉末品质优异。

在本发明的一个实施方式中，所述气雾化技术是指采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴进行的气雾化。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，所述惰性气体选自高纯氩气。

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)，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，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化，用激光对喷砂处理过的基板进行预热，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，所述干燥是指进行5-24h真空干燥。

在本发明的一个实施方式中，打印时，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印；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200-1600mm/s之间，打印层厚为20-60μm，扫描间距为100-180μm，扫描策略为棋盘格或条形。

在本发明的一个实施方式中，打印所得以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品进行热处理，通过固溶强化和/或沉淀强化进一步提高性能。

在本发明的一个实施方式中，所述热处理选择在100-400℃时效或退火处理1-200h。

采用该工艺方法打印出的产品，其相对密度可达99％以上，维氏硬度可达150HV以上，抗拉强度可达420MPa以上，延伸率可达7％，经过合适的热处理，样品的硬度可达170HV以上，抗拉强度可进一步提升到510MPa以上，延伸率保持在5％或以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用自制的气雾化铝锌合金粉末，可以大批量低成本地获得高品质的3D打印金属粉末，有利于提高产品的性能，推动产品更广泛的应用。

(2)本发明所用铝锌合金粉末原料中加入少量Zr元素，能在铝锌合金中形成细小的Al₃Zr析出物，与含Sc的析出物接近，既能够改善合金的SLM性能，减少热裂纹的产生，细化SLM产品的微观结构，提高其强度和延展性(现有研究表明：加入Sc形成Al₃Sc，Al₃Zr作用与之类似，Al₃Zr与主要的面心立方铝相有20多个相匹配的界面，表现出小于0.52％的晶格失配和1％的原子密度变化，从而提供了理想的低能量异质成核位点，通过在凝固前沿提供高密度的低能垒异质成核位点，降低等轴晶粒生长所需的过冷临界量，有利于形成细小的等轴晶粒组织，减少容易导致热裂纹产生的柱状晶粒的产生。Al₃Zr颗粒均匀地结合到组织中，由于钉扎效应，可以提高强度并阻碍晶粒生长，细小等轴晶粒的生成和热裂纹的减少提高了打印产品的强度和延展性)，在提升合金性能方面Sc和Zr的效果类似，但是Sc价格更昂贵，所以本申请利用Zr替代Sc有利于降低粉末成本；

(3)有研究表明SLM铝硅合金中硅在铝中的固溶度与常规值相比有明显增加，本发明所用铝锌合金粉末原料含有较高的Zn、Si、Cu和Mg元素，SLM过程具有较高的冷却速率，使得其他元素Zn、Si、Cu和Mg在Al相中的固溶度增加，由于其他元素在Al相中的固溶度增加，造成的晶格畸变增加，从而对位错有更强的阻碍作用，继而提高铝锌合金的强度和硬度；

此外，Si元素的线膨胀系数小，又能够改善合金液的流动性，在铝合金中加入该元素能降低熔融温度，减小合金的凝固收缩率，降低热膨胀系数并改善流动性，有利于降低裂纹敏感性，添加适量Si能够给生产致密无裂纹的铝锌合金，有助于改善铝锌合金的SLM加工性能。该合金还具有较高的析出元素(Zn、Cu、Mg)，经过合适的热处理后能通过沉淀强化进一步提高合金的硬度和强度；

(4)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，控制粉末粒径范围和球形形貌，使粉末具有良好的流动性，便于在SLM过程中均匀铺粉；粉末含水可能形成氢气孔，粉末氧化后可能与基体的结合情况变差，容易形成夹杂等缺陷，所以，本发明控制粉末颗粒有尽可能低的含水量，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。

(5)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锌合金，所得铝锌合金组织致密，力学性能优异，同时减少了复杂的后处理过程，节约了能源，降低了成本。该方法还适用于打印复杂的铝锌合金零件，具有明显的技术优势。

(6)本发明通过不断调整打印工艺参数能够调整铝合金的微观结构，尤其是改变合金的晶粒尺寸，细化的晶粒能够使合金的强度等性能得到进一步提高。

具体实施方式

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀；

在本发明的一个实施方式中，所述惰性气体选自高纯氩气。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

气雾化制得铝锌合金粉末，其化学组成：Zn含量为6.62％wt，Si含量为5.80％wt，Mg含量为1.89％wt，Cu含量为1.54wt，Zr含量为0.93％wt，其余为Al。粉末平均粒径为27.89μm，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形，粉末流动性较好。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(所用激光束斑直径约为50μm)的腔室中，通入高纯氩气，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200W，扫描速率800mm/s，打印层厚为30μm，扫描间距为120μm，扫描策略为棋盘格。打印出样品出表面光滑无裂纹，相对密度大于99.8％，维氏硬度均值为142HV，室温下的抗拉强度约为427MPa，伸长率约为7％。所得样品进行热处理，在160℃时效处理4h，然后空冷，热处理后的样品的维氏硬度均值增加为175HV，抗拉强度增加到512MPa，伸长率约为5％。制得的铝锌合金与其他常见的SLM铝合金相比，强度和延展性都有一定的优势，而且还能通过热处理进一步提高性能，不仅能够满足大部分情况下对铝合金的使用需求，而且减少了可锻铝合金复杂的后处理过程，节约了能源和成本。

实施例2

本实施例提供一种高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，包括以下步骤：

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀，其中用于3D打印的铝锌合金粉末的化学组成：Zn含量为0.50％wtwt，Si含量为10.00％wt，Mg含量为4.00％wt，Cu含量为0.01％wt，Zr含量为0.01％wt，其余为Al；

对熔融状态的高强度铝锌合金采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴进行气雾化(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，制得高品质的铝锌合金粉末，干燥(进行24h真空干燥)后得到用于3D打印的铝锌合金粉末，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的粒径大小在10-60μm之间，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形，粉末颗粒大小均匀，流动性好，制备过程中不会被氧化，粉末品质优异；

调整打印参数，在通入惰性气体(高纯氩气)的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印，3D打印方法为选择性激光熔融(SLM)，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，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化，用激光对喷砂处理过的基板进行预热，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40μm，再开始打印产品，打印时，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印；调整后的打印参数设置为激光功率为150W，扫描速率为200mm/s，打印层厚为20μm，扫描间距为100μm，扫描策略为棋盘格或条形，得到以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品。

本实施例中，打印出的产品，其相对密度可达99％以上，维氏硬度可达153HV，抗拉强度可达429MPa以上，延伸率可达7.6％。

实施例3

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀，其中用于3D打印的铝锌合金粉末的化学组成：Zn含量为11.00％wt，Si含量为0.10％wt，Mg含量为0.05％wt，Cu含量为2.80％wt，Zr含量为2.50％wt，其余为Al；

对熔融状态的高强度铝锌合金采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴进行气雾化(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)，制得高品质的铝锌合金粉末，干燥(进行5h真空干燥)后得到用于3D打印的铝锌合金粉末，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的粒径大小在10-60μm之间，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形，粉末颗粒大小均匀，流动性好，制备过程中不会被氧化，粉末品质优异；

调整打印参数，在通入惰性气体(高纯氩气)的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印，3D打印方法为选择性激光熔融(SLM)，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，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化，用激光对喷砂处理过的基板进行预热，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70μm，再开始打印产品，打印时，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印；调整后的打印参数设置为激光功率500W，扫描速率1600mm/s，打印层厚为60μm，扫描间距为180μm，扫描策略为棋盘格或条形，得到以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品。

本实施例中，打印所得以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品还进行热处理(400℃时效或退火处理1h)，通过固溶强化和/或沉淀强化进一步提高性能。

本实施例中，打印出的产品，其相对密度可达99％以上，样品的维氏硬度可达175HV，抗拉强度可进一步提升到514MPa，延伸率为5.2％。

实施例4

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀，其中用于3D打印的铝锌合金粉末的化学组成：Zn含量为5.00％wt，Si含量为5.00％wt，Mg含量为2.00％wt，Cu含量为1.50％wt，Zr含量为1.50％wt，其余为Al；

对熔融状态的高强度铝锌合金采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴进行气雾化(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)，制得高品质的铝锌合金粉末，干燥(进行12h真空干燥)后得到用于3D打印的铝锌合金粉末，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的粒径大小在10-60μm之间，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形，粉末颗粒大小均匀，流动性好，制备过程中不会被氧化，粉末品质优异；

调整打印参数，在通入惰性气体(高纯氩气)的打印设备中按照零件的三维模型数据进行3D打印，3D打印方法为选择性激光熔融(SLM)，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，尽量避免烧结过程中粉末发生氧化，用激光对喷砂处理过的基板进行预热，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60μm，再开始打印产品，打印时，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印；调整后的打印参数设置为激光功率在350W之间，扫描速率在800mm/s之间，打印层厚为40μm，扫描间距为140μm，扫描策略为棋盘格或条形，得到以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品。

本实施例中，打印所得以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品还进行热处理(200℃时效或退火处理25h)，通过固溶强化和/或沉淀强化进一步提高性能。

本实施例中，打印出的产品，其相对密度可达99.4％，维氏硬度可达175HV，抗拉强度可进一步提升到523MPa，延伸率保持在5.2％。

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

1.一种高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

高强度铝锌合金原料通过加热熔融使其混合均匀；

2.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的化学组成：Zn含量为0.50％wt-11.00％wt，Si含量为0.10％wt-10.00％wt，Mg含量为0.05％wt-4.00％wt，Cu含量为0.01％wt-2.80％wt，Zr含量为0.01％wt-2.50％wt，其余为Al。

3.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述用于3D打印的铝锌合金粉末的粒径大小在10-60μm之间，90％以上的粉末颗粒为球形或类球形。

4.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述气雾化技术是指采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴进行的气雾化。

5.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述惰性气体选自高纯氩气。

6.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的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，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，用激光对喷砂处理过的基板进行预热，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。

7.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述干燥是指进行5-24h真空干燥。

8.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，打印时，前0-3层的铺粉层厚为0，此时激光会重复扫描基板进行预热，之后根据零件的三维模型开始铺粉打印；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200-1600mm/s之间，打印层厚为20-60μm，扫描间距为100-180μm，扫描策略为棋盘格或条形。

9.根据权利要求1所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，打印所得以高强度铝锌合金为原料的3D打印产品进行热处理，通过固溶强化和/或沉淀强化进一步提高性能。

10.根据权利要求9所述高强度铝锌合金的3D打印工艺方法，其特征在于，所述热处理选择在100-400℃时效或退火处理1-200h。