CN112626376A - 铝合金粉末及其制造方法、铝合金制品及其制造方法 - Google Patents

铝合金粉末及其制造方法、铝合金制品及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金粉末及其制造方法、铝合金制品及其制造方法，其中以其总重为100wt.％计算，该铝合金粉末或铝合金制品包括下列元素：镍：3.0～5.0wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。本发明主要使用镍、铜、铁作为主要合金元素，锰、锆、铬及硅作为次要合金元素，其余部分为铝及不可避免的杂质，而提供一种具有高延展性、高抗拉强度及较佳耐热性的铝合金材料，可用于积层制造，如3D打印、粉末冶金、铸造等方法制备铝合金制品。

Description

铝合金粉末及其制造方法、铝合金制品及其制造方法
技术领域
本发明是有关于一种合金粉末及其制造方法、合金制品及其制造方法，且特别是有关于一种铝合金粉末及其制造方法、铝合金制品及其制造方法。
背景技术
中国专利申请公布号CN109175350A公开一种用于增材制造的Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金粉末的制备方法，其包括以下步骤：向中频炉内的坩埚中加入纯铝锭，并对铝锭进行预热；将熔炼室的温度升高至700～850℃，纯铝熔化开始后向熔炼室通入氩气，使熔炼室压力为0.6～0.9MPa；使坩埚内熔体温度达到1150～1300℃，加入纯锰、纯锆，保温15～25min；调高坩埚降温至800～900℃，熔炼室压力调节至0.3～0.7MPa，加入Al-Sc中间合金熔化后，保温5～15min；使坩埚内熔体温度降低至700～790℃，熔炼室压力调节至0.05～0.15MPa，加入纯镁锭；待镁锭完全熔化后，将坩埚保持在780～820℃；采用气雾化制粉方式进行制粉。
依已知的铝合金粉末以硅(Si)、镁(Mg)、锰(Mn)、锌(Zn)或铜(Cu)作为主要合金元素，并将镍(Ni)、铁(Fe)等元素视为杂质元素。利用铝合金粉末以积层制造方法制备的铝合金制品的抗拉强度大部分皆低于500MPa，除了航太应用的铝合金，如:7075、7050、2024等能高于500MPa，但这些高强度的铝合金需经由繁杂的热处理制程而得，且延展性及耐热性不佳，延展性(断裂伸长量)皆低于10％，无法在300℃以上使用。
因此，便有需要提供一种具有高延展性、高抗拉强度及较佳耐热性的铝合金材料，解决前述的问题。
发明内容
本发明的一目的是提供一种铝合金制品，其具有高延展性、高抗拉强度及较佳耐热性。
依据上述的目的，本发明提供一种铝合金粉末，以其总重为100wt.％计算，该铝合金粉末包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
本发明还提供一种铝合金粉末，以其总重为100wt.％计算，该铝合金粉末只由下列元素所构成：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
本发明更提供一种铝合金粉末的制造方法，包括下列步骤：进行一熔炼制程，使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及进行一制粉制程，使该铝合金熔汤形成一铝合金粉末；其中该铝合金粉末包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
在一些实施例中，该熔炼制程包括下列步骤：
将一纯铝锭置入一熔炼炉中，并对该纯铝锭进行预热；
该纯铝锭熔化后，依序投入纯铜锭(或铝铜中间合金或铜剂)、纯镍锭(或铝镍中间合金或镍剂)、纯铁锭(或铝铁中间合金或铁剂)、纯锰锭(或铝锰中间合金或锰剂)、纯锆锭(或铝锆中间合金)、纯铬锭(或铝铬中间合金或铬剂)及纯硅锭(或铝硅中间合金)；以及
加大熔炼功率，升温至850～950℃，持续搅拌约15～20分钟，使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成该铝合金熔汤；以及
该制粉制程包括下列步骤：
开启雾化气体，进行气雾化制粉，使该铝合金熔汤形成该铝合金粉末。
本发明另提供一种铝合金制品，以其总重为100w％计算，该铝合金制品包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
在一些实施例中，该铝合金制品的抗拉强度大于500Mpa，且延展性大于10％。
本发明又提供一种铝合金制品的制造方法，包括：将所述的铝合金粉末进行3D打印制程或粉末冶金制程，使该铝合金粉末形成一铝合金制品。
在一些实施例中，该3D打印制程包括下列步骤：
将该铝合金粉末经由气旋分选及震动分选进行粉末筛分，将粉末粒径筛选至20～63μm后，加热至70～90℃约0.5～1.0小时，去除湿气，并将该铝合金粉末抽真空保存；以及
以激光选区熔化设备进行3D打印而得该铝合金制品；以及
待3D打印完成后，将该铝合金制品取下，并施以表面处理。
在一些实施例中，该粉末冶金制程包括下列步骤：
将体积百分比65～90％的铝合金粉末与黏结剂10～35％混合；
以粉浆浇注、带材浇注及静压方式制成一铝合金生胚；以及
将该铝合金生胚经由高温烧结或锻造而得该铝合金制品。
本发明再提供一种铝合金制品的制造方法，包括：
进行一熔炼制程：使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及
进行一浇铸制程：使该铝合金熔汤形成一铝合金制品，其中该铝合金制品包括下列元素：
镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
本发明主要使用镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)作为主要合金元素，锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)作为次要合金元素，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质，而提供一种具有高延展性、高抗拉强度及较佳耐热性的铝合金材料，可用于积层制造(3D打印、粉末冶金)、铸造等方法制备，抗拉强度优于常见的铝硅(Al-Si)、铝镁(Al-Mg)、铝铜(Al-Cu)、铝镁硅(Al-Mg-Si)、铝锌镁铜(Al-Zn-Mg-Cu)等合金。
附图说明
图1为本发明一实施例的铝合金粉末的制造方法流程图；
图2为本发明一实施例的熔炼炉及气体雾化设备的剖面示意图；
图3为本发明第一实施例的铝合金制品的制造方法流程图；
图4为本发明第二实施例的铝合金制品的制造方法流程图；
图5为本发明第三实施例的铝合金制品的制造方法流程图。
附图中的符号说明：
10 承载坩埚；
11 铝合金熔汤；
12 下舱体；
13 集粉桶；
G 雾化气体；
P 铝合金粉末；
S11 熔炼制程；
S12 制粉制程；
S21 步骤；
S22 步骤；
S23 步骤；
S31 步骤；
S32 步骤；
S33 步骤；
S41 熔炼制程；
S42 浇铸制程。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和特点能更明显易懂，配合附图将本发明相关实施例详细说明如下。
图1为本发明一实施例的铝合金粉末的制造方法流程图。该铝合金粉末的制造方法包括下列步骤：(1)进行一熔炼制程S11：使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及(2)进行一制粉制程S12：使该铝合金熔汤形成一铝合金粉末。
请参考图2，举例，本发明的熔炼制程包括下列步骤：将纯铝锭置入熔炼炉(例如真空感应熔炼炉)的承载坩埚10中，并对该纯铝锭进行预热；该纯铝锭熔化后，依序投入纯铜锭(或铝铜中间合金或铜剂)、纯镍锭(或铝镍中间合金或镍剂)、纯铁锭(或铝铁中间合金或铁剂)、纯锰锭(或铝锰中间合金或锰剂)、纯锆锭(或铝锆中间合金)、纯铬锭(或铝铬中间合金或铬剂)及纯硅锭(或铝硅中间合金)；以及加大熔炼功率，升温至850～950℃，持续搅拌约15～20分钟，使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成该铝合金熔汤11。该铝合金熔汤包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
本发明的制粉制程包括下列步骤：搅拌完成后，将该铝合金熔汤11除渣精炼，并调整下舱体12压力控制于0.07～0.10MPa，承载坩埚温度控制于850～880℃，开启雾化气体G(例如氩气或氮气)，进行气雾化制粉，使该铝合金熔汤11形成该铝合金粉末P，并收集在集粉桶13内。例如以高速冷却气体将该铝合金熔汤11冲击雾化后而快速凝固成铝合金粉末P。该铝合金粉末P包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
图3为本发明第一实施例的铝合金制品的制造方法流程图。该铝合金制品的制造方法包括：将本发明的铝合金粉末进行3D打印制程，使该铝合金粉末形成一铝合金制品。该3D打印制程包括下列步骤：在步骤S21中，将该铝合金粉末经由气旋分选及震动分选进行粉末筛分，将粉末粒径筛选至20～63μm后，加热至70～90℃约0.5～1.0小时，去除湿气，并将该铝合金粉末抽真空保存；在步骤S22中，以选区激光熔化(Selective laser melting；SLM)技术进行3D打印而得该铝合金制品(选区激光熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术，通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓资料后，利用高能量激光射束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。例如，以德国SLMSolutions 280激光选区熔化设备进行铝合金3D打印)；以及，在步骤S23中，待3D打印完成后，将该铝合金制品取下，并施以表面处理，其中该铝合金制品包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
请参考表一，本发明实施例1～3的铝合金制品的配方成分及其比例。请参考表二，实施例1～3的铝合金制品的抗拉强度可大于500MPa，其断裂伸长量大于10％及适用于300℃以上的环境。
Al Ni Cu Fe Mn Zr Cr Si
实施例1. 余量 4.11 2.22 1.44 0.72 0.55 0.53 0.12
实施例2. 余量 3.80 2.10 1.63 0.74 0.50 0.55 0.11
实施例3. 余量 4.30 2.30 1.45 0.80 0.68 0.52 0.18
表一
Figure BDA0002211508290000051
表二
机械性能测试根据ISO 6892-1:2009(B)annex D
拉伸试棒：直径5mm圆棒，标距长度25mm
本发明的铝合金制品添加大量的镍、铜、铁及少量的锰、锆及铬至铝合金中，借由Cu、Mn、Si及Cr元素在Al中溶解度，产生部分固溶强化，及其元素间形成的分散强化相(CrFe)Al7、(CrMn)Al12、(FeMn)Al6、(Fe2Si)Al8、FeSiAl5、Al3Zr提升铝合金的强度及耐热性。热处理后，使时效硬化相Al3Ni及Al2Cu析出，进一步提升抗拉强度及延展性。
本发明铝合金制品具备高延展性的原因在于Al3Ni及Al3Fe的分散强化相，此类析出相为杆状结构，在裂痕扩展时，此结构与裂痕平行，不易造成应力集中，另外添加Cr及Mn元素可调整Fe在铝合金中的微结构，形成(CrFe)Al7、(CrMn)Al12及(FeMn)Al6，可同时提升延展性及抗拉强度。
另外，本发明铝合金制品的硅(Si)含量只介于0.05～4.0wt.％，若Si在此铝合金含量过高会造成Al5FeSi(alpha phase,script-like phase)增加，容易形成裂缝，降低延展性。在热处理上Si含量过高也容易形成Si聚集，可能会有粗大的硅颗粒(Si particle)或是片状硅(Si sheet)产生，降低铝合金的抗拉强度。
图4为本发明第二实施例的铝合金制品的制造方法流程图。该铝合金制品的制造方法包括：将本发明的铝合金粉末进行粉末冶金制程，使该铝合金粉末形成一铝合金制品。该粉末冶金制程包括下列步骤：在步骤S31中，将体积百分比65～90％的铝合金粉末与黏结剂10～35％混合；在步骤S32中，以粉浆浇注、带材浇注及静压方式制成一铝合金生胚；以及，在步骤S33中，将生胚经由高温烧结或锻造而得该铝合金制品，其中该铝合金制品包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5-1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
图5为本发明第三实施例的铝合金制品的制造方法流程图。该铝合金制品制造方法包括下列步骤：(1)进行一熔炼制程S41：使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及(2)进行一浇铸制程S42：使该铝合金熔汤形成一铝合金制品。
举例，该熔炼制程S41包括：将一纯铝锭置入一熔炼炉中，并对该纯铝锭材料进行预热；该纯铝锭熔化后，依序投入纯铜锭(或铝铜中间合金或铜剂)、纯镍锭(或铝镍中间合金或镍剂)、纯铁锭(或铝铁中间合金或铁剂)、纯锰锭(或铝锰中间合金或锰剂)、纯锆锭(或铝锆中间合金)、纯铬锭(或铝铬中间合金或铬剂)及纯硅锭(或铝硅中间合金)；以及，加大熔炼功率，升温至850～950℃，持续搅拌约15～20分钟，使含有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)的各个材料熔化成该铝合金熔汤。
该浇铸制程S42包括：搅拌完成后，将该铝合金熔汤表面熔渣扒除，调整该铝合金熔汤的温度在850～870度，浇铸至一模具中，使该铝合金熔汤形成该铝合金制品，其中该铝合金制品包括下列元素：镍(Ni)：3.0～5.0wt.％，铜(Cu)：2.0～3.0wt.％，铁(Fe)：1.0～2.0wt.％，锰(Mn)：0.5～1.0wt.％，锆(Zr)：0.4～1.0wt.％，铬(Cr)：0.40～1.0wt.％，硅(Si)：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质。
本发明主要使用镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)作为主要合金元素，锰(Mn)、锆(Zr)、铬(Cr)及硅(Si)作为次要合金元素，其余部分为铝(Al)及不可避免的杂质，而提供一种具有高延展性、高抗拉强度及较佳耐热性的铝合金材料，可用于积层制造(3D打印、粉末冶金)、铸造等方法制备，抗拉强度优于常见的铝硅(Al-Si)、铝镁(Al-Mg)、铝铜(Al-Cu)、铝镁硅(Al-Mg-Si)、铝锌镁铜(Al-Zn-Mg-Cu)等合金。
综上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种铝合金粉末，其特征在于，以其总重为100wt.％计算，该铝合金粉末包括下列元素：
镍：3.0～5.0wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。
2.一种铝合金粉末，其特征在于，以其总重为100wt.％计算，该铝合金粉末只由下列元素所构成：
镍：3.0～5.wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。
3.一种铝合金粉末的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
进行一熔炼制程，使含有铝、镍、铜、铁、锰、锆、铬及硅的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及
进行一制粉制程，使该铝合金熔汤形成一铝合金粉末；
其中该铝合金粉末包括下列元素：
镍：3.0～5.0wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。
4.如权利要求3所述的铝合金粉末的制造方法，其特征在于，该熔炼制程包括下列步骤：
将一纯铝锭置入一熔炼炉中，并对该纯铝锭进行预热；
该纯铝锭熔化后，依序投入纯铜锭或铝铜中间合金或铜剂、纯镍锭或铝镍中间合金或镍剂、纯铁锭或铝铁中间合金或铁剂、纯锰锭或铝锰中间合金或锰剂、纯锆锭或铝锆中间合金、纯铬锭或铝铬中间合金或铬剂及纯硅锭或铝硅中间合金；以及
加大熔炼功率，升温至850～950℃，持续搅拌15～20分钟，使含有铝、镍、铜、铁、锰、锆、铬及硅的各个材料熔化成该铝合金熔汤；以及
该制粉制程包括下列步骤：
开启雾化气体，进行气雾化制粉，使该铝合金熔汤形成该铝合金粉末。
5.一种铝合金制品，其特征在于，以其总重为100wt.％计算，该铝合金制品包括下列元素：
镍：3.0～5.0wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。
6.如权利要求5所述的铝合金制品，其特征在于，该铝合金制品的抗拉强度大于500Mpa，且延展性大于10％。
7.一种铝合金制品的制造方法，其特征在于，包括：将如权利要求1或2所述的铝合金粉末进行3D打印制程或粉末冶金制程，使该铝合金粉末形成一铝合金制品。
8.如权利要求7所述的铝合金制品的制造方法，其特征在于，该3D打印制程包括下列步骤：
将该铝合金粉末经由气旋分选及震动分选进行粉末筛分，将粉末粒径筛选至20～63μm后，加热至70～90℃，0.5～1.0小时，去除湿气，并将该铝合金粉末抽真空保存；以及
以激光选区熔化设备进行3D打印而得该铝合金制品；以及
待3D打印完成后，将该铝合金制品取下，并施以表面处理。
9.如权利要求7所述的铝合金制品的制造方法，其特征在于，该粉末冶金制程包括下列步骤：
将体积百分比65～90％的铝合金粉末与黏结剂10～35％混合；
以粉浆浇注、带材浇注及静压方式制成一铝合金生胚；以及
将该铝合金生胚经由高温烧结或锻造而得该铝合金制品。
10.一种铝合金制品的制造方法，其特征在于，包括：
进行一熔炼制程：使含有铝、镍、铜、铁、锰、锆、铬及硅的各个材料熔化成一铝合金熔汤；以及
进行一浇铸制程：使该铝合金熔汤形成一铝合金制品，其中该铝合金制品包括下列元素：
镍：3.0～5.0wt.％，铜：2.0～3.0wt.％，铁：1.0～2.0wt.％，锰：0.5～1.0wt.％，锆：0.4～1.0wt.％，铬：0.40～1.0wt.％，硅：0.05～4.0wt.％，其余部分为铝及不可避免的杂质。
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