CN112981157A - 选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法 - Google Patents

选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种选择性激光熔化制备Al‑Mg基高强度铝合金的方法，通过预设模型并对模型等厚切分后输入SLM设备，通过设定扫描路径、激光功率、扫描间距、扫描速率、铺粉厚度实现合金零件的制备。采用本发明成形的Al‑Mg合金零件，致密度高于99.5％，内部缺陷少。合金组织由等轴晶和柱状晶构成，细小等轴晶的晶粒尺寸小于100nm，起到了细晶强化的作用。在快速凝固过程中，纳米级的Al3(Sc,Zr)相析出，起到了析出强化的作用。采用本发明成形的Al‑Mg合金零件，室温抗拉强度高于500MPa，屈服强度高于460MPa，延伸率高于9％，能够满足航空航天领域对零件力学性能的要求。

Description

选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法
技术领域
本发明涉及高强度铝合金制备技术，特别涉及一种利用激光选区熔化技术制备Al-Mg基高强度合金的方法。
背景技术
新型航空航天器中常使用铝合金制造复杂内流道构件，这些关键构件呈复杂化和轻质化的特点，对铝合金力学性能提出了更高的要求。Al-Mg基合金属于高强铝合金，能够满足航天航空工业构件对力学性能的要求。但现有的铸造、锻造、机械加工等成形方式常需多道工艺，材料利用率不高。现有铸造、锻造、机械加工等成形方式无法制备出具有复杂内流道的构件，同时由于Al-Mg基合金合金化复杂，在铸造过程中容易与氧气发生反应生成夹杂物，导致气孔、裂纹等缺陷的产生。
发明内容
本发明针对现有技术制备Al-Mg合金存在的上述问题，提出一种选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)制备Al-Mg基高强度铝合金的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，预设模型并对模型等厚切分后输入SLM设备，通过设定扫描路径、激光功率、扫描间距、扫描速率、铺粉厚度实现合金零件的制备。
所述的SLM设备是指：以激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描的金属零件制备设备。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1)根据所需成形零件的形状和尺寸设计相应的CAD模型，在模型高度方向对其进行等厚切分，将切片及扫描路径保存为STL文件，并设定扫描路径、激光功率、扫描间距、扫描速率、铺粉厚度，输入至SLM设备。
所述的等厚切分，厚度均为30μm。
所述的扫描路径，在层内采用Z字形扫描路径，每层的路径按顺时针旋转67°。
所述的工艺参数，激光功率150～300W，扫描速率600～900mm/s，扫描间距110～180μm，铺粉厚度30μm。
步骤2)将粉末装入SLM设备的粉床内，在可升降的工作台上设置AlSi10Mg成形基板，将SLM设备的成形腔密封并抽真，再通入氩气进行保护；然后通过刮刀式铺粉装置在AlSi10Mg成形基板上均匀铺一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mnwt.％的合金粉末。
所述的氩气，优选采用的纯度为99.99％。
步骤3)激光束按照设定的路径和参数，选择性地扫描基板上的粉末，粉末熔化后凝固，得到相应层的几何形状。
步骤4)每当激光束按照设定的路径扫描完一层后，基板下降一个层厚即30μm，铺粉系统再均匀铺上一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤5)重复步骤3)、步骤4)直至Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件加工完毕。
步骤6)收集未被激光束扫描的松散粉末，取出基板及附着在基板上的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件。通过激光线切割的方式对零件与基板进行分离。
步骤7)将步骤6)得到的零件进行时效处理，得到力学性能满足要求的Al-Mg基铝合金构件。
所述的时效处理为：将零件置于真空炉中，升温至350℃，保温8h，水冷。
技术效果
本发明整体解决了高强度Al-Mg基合金复杂零件成形的问题，不受零件几何形状的限制，尤其适用于Al-Mg合金复杂零件的生产。未加工的粉末可以回收重复利用，材料利用率高；采用本发明成形的Al-Mg合金零件，致密度高于99.5％，内部缺陷少。合金组织由等轴晶和柱状晶构成，细小等轴晶的晶粒尺寸小于100nm，起到了细晶强化的作用。在快速凝固过程中，纳米级的Al3(Sc,Zr)相析出，起到了析出强化的作用。采用本发明成形的Al-Mg合金零件，室温抗拉强度高于500MPa，屈服强度高于460MPa，延伸率高于9％，能够满足航空航天领域对零件力学性能的要求。
附图说明
图1为本发明所采用的SLM扫描路径示意图；
图2为本发明所采用的氩气雾化法制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末的扫描电子显微镜图片；
图3为本发明通过SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金光学显微镜图片；
图4为本发明通过SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金透射菊池衍射图片；
图5为本发明通过SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金等轴晶晶区域透射电子显微镜图片；
图6为本发明通过SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金柱状晶区域透射电子显微镜图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例选用利用氩气雾化法制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn预合金化粉末，粉末呈球形或近球形，粉末粒径分布范围为22～55μm；
步骤1)根据所需成形零件的形状和尺寸，利用计算机设计相应的CAD模型，在模型高度方向对其进行等厚切分，厚度均为30μm。层内采用Z字形扫描路径，每层的路径按顺时针旋转67°，如图1所示。将切片及扫描路径保存为STL文件，输入至SLM设备，设置成型参数为：激光功率200W，扫描速率700mm/s，扫描间距135μm，铺粉厚度30μm。
步骤2)将粉末装入SLM设备的粉床内，在可升降的工作台上设置AlSi10Mg成形基板，将SLM设备的成形腔密封并抽真，再通入氩气(99.99％)进行保护。然后通过刮刀式铺粉装置在AlSi10Mg成形基板上均匀铺一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤3)激光束按照设定的路径和参数，选择性地扫描基板上的粉末，粉末熔化后凝固，得到相应层的几何形状。
步骤4)每当激光束按照设定的路径扫描完一层后，基板下降一个层厚即30μm，铺粉系统再均匀铺上一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤5)重复步骤3)、步骤4直至Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件加工完毕。
步骤6)收集未被激光束扫描的松散粉末，取出基板及附着在基板上的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件。通过激光线切割的方式对零件与基板进行分离。
步骤7)将零件置于真空炉中，升温至350℃，保温8h，水冷。
由图3所示，SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金致密度达到99.52％，存在少量气孔，无裂纹产生。
由图4所示，SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金组织由等轴晶和柱状晶组成。部分等轴晶晶粒尺寸细小，可达到100nm以下。
由图5和图6所示，SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金组织中Al3(Sc,Zr)颗粒弥散分布，可以提高Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金的力学性能。
在室温下对零件进行力学性能测试，抗拉强度达到500MPa，屈服强度达到463MPa，延伸率达到10.2％。
实施例2
本实施例选用利用氩气雾化法制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn预合金化粉末，粉末呈球形或近球形，粉末粒径分布范围为22～55μm；
步骤1)根据所需成形零件的形状和尺寸，利用计算机设计相应的CAD模型，在模型高度方向对其进行等厚切分，厚度均为30μm。层内采用Z字形扫描路径，每层的路径按顺时针旋转67°，如图1所示。将切片及扫描路径保存为STL文件，输入至SLM设备，设置成型参数为：激光功率200W，扫描速率800mm/s，扫描间距135μm，铺粉厚度30μm。
步骤2)将粉末装入SLM设备的粉床内，在可升降的工作台上设置AlSi10Mg成形基板，将SLM设备的成形腔密封并抽真，再通入氩气(99.99％)进行保护。然后通过刮刀式铺粉装置在AlSi10Mg成形基板上均匀铺一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤3)激光束按照设定的路径和参数，选择性地扫描基板上的粉末，粉末熔化后凝固，得到相应层的几何形状。
步骤4)每当激光束按照设定的路径扫描完一层后，基板下降一个层厚即30μm，铺粉系统再均匀铺上一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤5)重复步骤3)、步骤4直至Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件加工完毕。
步骤6)收集未被激光束扫描的松散粉末，取出基板及附着在基板上的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件。通过激光线切割的方式对零件与基板进行分离。
步骤7)将零件置于真空炉中，升温至350℃，保温8h，水冷。
SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金致密度高达99.92％。在室温下对零件进行力学性能测试，抗拉强度达到510MPa，屈服强度达到478，延伸率达到9.3％。
实施例3
本实施例选用利用氩气雾化法制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn预合金化粉末，粉末呈球形或近球形，粉末粒径分布范围为22～55μm；
步骤1)根据所需成形零件的形状和尺寸，利用计算机设计相应的CAD模型，在模型高度方向对其进行等厚切分，厚度均为30μm。层内采用Z字形扫描路径，每层的路径按顺时针旋转67°，如图1所示。将切片及扫描路径保存为STL文件，输入至SLM设备，设置成型参数为：激光功率250W，扫描速率700mm/s，扫描间距150μm，铺粉厚度30μm。
步骤2)将粉末装入SLM设备的粉床内，在可升降的工作台上设置AlSi10Mg成形基板，将SLM设备的成形腔密封并抽真，再通入氩气(99.99％)进行保护。然后通过刮刀式铺粉装置在AlSi10Mg成形基板上均匀铺一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤3)激光束按照设定的路径和参数，选择性地扫描基板上的粉末，粉末熔化后凝固，得到相应层的几何形状。
步骤4)每当激光束按照设定的路径扫描完一层后，基板下降一个层厚即30μm，铺粉系统再均匀铺上一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末。
步骤5)重复步骤3)、步骤4直至Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件加工完毕。
步骤6)收集未被激光束扫描的松散粉末，取出基板及附着在基板上的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件。通过激光线切割的方式对零件与基板进行分离。
步骤7)将零件置于真空炉中，升温至350℃，保温8h，水冷。
SLM技术制备的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金致密度高达99.65％。在室温下对零件进行力学性能测试，抗拉强度达到507MPa，屈服强度达到472MPa，延伸率达到9.2％。
综上所述，经本方法制备的Al-Mg基合金复杂零件，其致密度高于99.5％，内部缺陷少。合金组织由等轴晶和柱状晶构成，超细等轴晶的尺寸可达到100nm以下，产生细晶强化。在制备过程中，Al3(Sc,Zr)颗粒均匀分布在基体中，产生析出强化。在两种强化方式的共同作用，合金的力学性能得到提升。室温抗拉强度高于500MPa，屈服强度高于460MPa，延伸率高于9％，能够满足航空航天领域对零件力学性能的要求。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征在于，预设模型并对模型等厚切分后输入SLM设备，通过设定扫描路径、激光功率、扫描间距、扫描速率、铺粉厚度实现合金零件的制备，具体包括：
步骤1)根据所需成形零件的形状和尺寸设计相应的CAD模型，在模型高度方向对其进行等厚切分，将切片及扫描路径保存为STL文件，并设定扫描路径、激光功率、扫描间距、扫描速率、铺粉厚度，输入至SLM设备；
步骤2)将粉末装入SLM设备的粉床内，在可升降的工作台上设置AlSi10Mg成形基板，将SLM设备的成形腔密封并抽真，再通入氩气进行保护；然后通过刮刀式铺粉装置在AlSi10Mg成形基板上均匀铺一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn wt.％的合金粉末；
步骤3)激光束按照设定的路径和参数，选择性地扫描基板上的粉末，粉末熔化后凝固，得到相应层的几何形状；
步骤4)每当激光束按照设定的路径扫描完一层后，基板下降一个层厚即30μm，铺粉系统再均匀铺上一层Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn合金粉末；
步骤5)重复步骤3)、步骤4)直至Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件加工完毕；
步骤6)收集未被激光束扫描的松散粉末，取出基板及附着在基板上的Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn零件；通过激光线切割的方式对零件与基板进行分离；
步骤7)将步骤6)得到的零件进行时效处理，得到力学性能满足要求的Al-Mg基铝合金构件。
2.根据权利要求1所述的选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征是，所述的等厚切分，厚度均为30μm。
3.根据权利要求1所述的选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征是，所述的扫描路径，在层内采用Z字形扫描路径，每层的路径按顺时针旋转67°。
4.根据权利要求1所述的选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征是，所述的工艺参数，激光功率150～300W，扫描速率600～900mm/s，扫描间距110～180μm，铺粉厚度30μm。
5.根据权利要求1所述的选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征是，所述的氩气，采用的纯度为99.99％。
6.根据权利要求1所述的选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法，其特征是，所述的时效处理为：将零件置于真空炉中，升温至350℃，保温8h，水冷。
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