CN113814393B - 用于slm的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法，所述铝合金粉末材料包括如下质量百分比的各个组分：Si：6.5‑7.5％；Mg：1.2‑1.5％；TiB2：2.5‑5.0％；余量为Al和不可避免的杂质。根据本发明的用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法，使得通过SLM利用铝合金粉末材料加工制成诸如屈服强度、抗拉强度、弹性模量或延伸率等力学性能较优的金属零件，且该铝合金粉末材料的制备难度相对较低。
Description
技术领域
本发明涉及激光制造技术，尤其涉及一种用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法。
背景技术
SLM全称Selective laser melting，意为激光选区熔化技术或选择性激光熔化技术，是一种可用于金属材料增材制造的主要技术途径。SLM技术选用激光作为能量源，可按照诸如三维切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固，最终获得模型所设计的金属零件。SLM技术相比传统制造技术，能够更适于制造具有复杂形状的金属零件，并且具有制造形成的金属零件更致密且力学性能更好的优势。
现有的应用于SLM技术领域的铝合金粉末主要集中于铝硅系合金。然而，普通铝合金应用于增材制造工艺时效果不佳，因为其具有较高的激光反射率，对打印设备有很高的要求；同时其粉体流动性较差，导致铺粉困难。因此，在相关技术领域中已经提出了一些方法或尝试，通过在合金化学成分、制粉工艺及后处理工艺等方面调整以对铝合金粉末进行优化，以期得到具有更优的力学性能的增材制造件。
例如，中国发明专利申请CN110484783A中涉及一种铝稀土合金粉末及其制备方法和应用，主要针对于化学成分为Re:8.0％-15.0％，Mn:0.1％-2.0％，Fe:0.2％-0.4％及1.0％-10.0％硼化钛增强颗粒的铝合金粉末，利用气雾化沉积法制备。该专利申请涉及的该铝合金粉末可具备较高的激光吸收率，因而适于激光增材制造技术的应用领域。
然而，现有技术仍然缺少能够显著提高铝合金粉末的SLM成形性能的解决方案，尤其缺乏制备难度相对较低，同时又适于应用SLM技术的铝合金粉末材料及其制备方法。
因此，亟需提供一种新的用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法，从而至少部分地解决现有技术存在的上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服传统铝合金粉末在激光制造中存在的激光反射率高、流动性差、成形件力学性能低等缺陷，提出一种新的用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于SLM的铝合金粉末材料，其特点在于，所述铝合金粉末材料包括如下质量百分比的各个组分：
Si：6.5-7.5％；
Mg：1.2-1.5％；
TiB2：2.5-5.0％；
余量为Al和不可避免的杂质。
根据本发明的一些实施方式，所述陶瓷铝合金粉末材料包括呈陶瓷颗粒形式的所述TiB2。
根据本发明的一些实施方式，所述TiB2通过原位自生化学反应制备得到。
根据本发明的一些实施方式，所述铝合金粉末材料的晶粒尺寸不超过2.5μm。
本发明还提供了一种用于制备如上所述的所述铝合金粉末材料的方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：
加热工业纯铝，其中采用高温覆盖剂覆盖后升温至650-950℃，以得到熔体；
将KBF4材料和K2TiF6材料混合并烘干后加入所述熔体中，通过机械搅拌进行反应，以生成陶瓷颗粒形式的TiB2；
移除所述反应的副产物，并在加入Al-Si中间合金材料、纯Mg材料和精炼剂进行除气精炼，所述除气精炼的温度为700-800℃、静置时间为10-20分钟；
对所述除气精炼的产物进行气雾化，从而得到所述铝合金粉末材料。
根据本发明的一些实施方式，混合的所述KBF4材料和所述K2TiF6材料的质量比在1:0.5-1:2的范围内。
根据本发明的一些实施方式，所述气雾化包括，在900-1200℃的溶液温度、0.5～10MPa的气压的条件下，采用氩气、氦气或二者的混合气体作为保护气，并采用具有0.5-5mm的直径的喷嘴，进行气雾化操作。
根据本发明的一些实施方式，所述Al-Si中间合金材料为Al-12％Si中间合金材料，所述高温覆盖剂采用JZF-03型高温覆盖剂，所述精炼剂采用JZJ型无害铝合金精炼剂
本发明还提供了一种采用如上所述的方法制备得到的铝合金粉末材料的应用方法，其特点在于，所述应用方法包括以下步骤：
基于粒径筛分所述铝合金粉末材料，并将筛分得到的所述铝合金粉末材料作为打印材料；
采用金属3D打印机基于待打印的产品的三维图形文件将所述打印材料打印形成所述产品，所述打印采用SLM。
根据本发明的一些实施方式，筛分获取粒径在15-53μm的范围内的所述铝合金粉末材料作为所述打印材料。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的用于SLM的铝合金粉末材料及其制备方法和应用方法，使得得以通过SLM利用铝合金粉末材料制成诸如屈服强度、抗拉强度、弹性模量或延伸率等力学性能较优的金属零件，且该铝合金粉末材料的制备难度相对较低。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的用于制备铝合金粉末材料的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
根据本发明的较佳实施方式的一种用于SLM的铝合金粉末材料，包括如下质量百分比的各个组分：
Si(硅)：6.5-7.5％；
Mg(镁)：1.2-1.5％；
TiB2(硼化钛)：2.5-5.0％；
余量为铝Al和不可避免的杂质。
根据本发明的一些优选实施方式，所述陶瓷铝合金粉末材料包括呈陶瓷颗粒形式的所述TiB2，且TiB2可通过原位自生化学反应制备得到。
根据本发明的一些优选实施方式，所述铝合金粉末材料的晶粒尺寸(也称为晶粒度)不超过2.5μm。
如图1所示，根据本发明的优选实施方式的制备方法可用于制备如上所述的铝合金粉末材料。该制备方法包括以下步骤：
加热工业纯铝，其中采用高温覆盖剂(例如，JZF-03型高温覆盖剂)覆盖后升温至650-950℃，以得到熔体；
将KBF4材料和K2TiF6材料混合并烘干后加入所述熔体中，通过机械搅拌进行反应，以生成陶瓷颗粒形式的TiB2；
移除所述反应的副产物，并在加入Al-12％Si中间合金材料，、纯Mg材料和精炼剂(例如JZJ型无害铝合金精炼剂)进行除气精炼，所述除气精炼的温度为700-800℃、静置时间为10-20分钟；
对所述除气精炼的产物进行气雾化，从而得到该铝合金粉末材料。
根据本发明的一些优选实施方式，在上述制备方法中，混合的所述KBF4(硼氟酸钾)材料和所述K2TiF6(氟钛酸钾)材料的质量比在1:0.5-1:2的范围内。优选地，在上述制备方法中的气雾化操作包括，在900-1200℃的溶液温度、0.5～10MPa的气压的条件下，采用氩气、氦气或二者的混合气体作为保护气，并采用具有0.5-5mm的直径的喷嘴，进行气雾化操作。
如下表1所示，根据上述实施方式制备得到的铝合金粉末具有较佳的应用于SLM技术的性能，例如，铝合金粉末的激光吸收率≥66％，铝合金粉末的卡尼流速≤24s，并且铝合金粉末的晶粒尺寸≤2.5μm。
表1
进一步地，采用上述方法制备得到的铝合金粉末材料可应用于如下方法或如下应用场景。举例来说，相应的应用方法可包括如下步骤：
S1、通过制图软件绘制所需加工样品的三维图形，例如保存为STL格式；
S2、将本发明提供的铝合金粉末经过筛分(例如，通过筛分得到15-53μm粒径的粉末)后，使用基于激光选区熔化技术的金属3D打印机制备得到步骤S1所绘制的三维图形对应的产品；
其中例如，可使用ProX200金属3D打印机，采用的激光功率为200W，扫描速度为1000mm/s，扫描间距0.10mm，层厚为30μm。
经测试，基于上述方法制备得到的铝合金粉末材料，进一步加工制成的诸如金属零件的产品，可达到如上表1所示的力学性能。如上表1所示，相应的制成的产品力学性能可达到例如，弹性模量≥75GPa，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥500MPa，并且延伸率≥9％。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于SLM的铝合金粉末材料，其特征在于，所述铝合金粉末材料包括如下质量百分比的各个组分：
Si：6.5-7.5%；
Mg：1.2-1.5%；
TiB2：2.5-5.0%；
余量为Al和不可避免的杂质；
所述铝合金粉末材料的晶粒尺寸不超过2.5μm。
2.如权利要求1所述的铝合金粉末材料，其特征在于，所述铝合金粉末材料包括呈陶瓷颗粒形式的所述TiB2。
3.如权利要求2所述的铝合金粉末材料，其特征在于，所述TiB2通过原位自生化学反应制备得到。
4.一种用于制备如权利要求1-3中任意一项所述的铝合金粉末材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
加热工业纯铝，其中采用高温覆盖剂覆盖后升温至650-950℃，以得到熔体；
将KBF4材料和K2TiF6材料混合并烘干后加入所述熔体中，通过机械搅拌进行反应，以生成陶瓷颗粒形式的TiB2；
移除所述反应的副产物，并在加入Al-Si中间合金材料、纯Mg材料和精炼剂进行除气精炼，所述除气精炼的温度为700-800℃、静置时间为10-20分钟；
对所述除气精炼的产物进行气雾化，从而得到所述铝合金粉末材料。
5.如权利要求4所述的用于制备铝合金粉末材料的方法，其特征在于，混合的所述KBF4材料和所述K2TiF6材料的质量比在1:0.5-1:2的范围内。
6.如权利要求4所述的用于制备铝合金粉末材料的方法，其特征在于，所述气雾化包括，在900-1200℃的溶液温度、0.5~10MPa的气压的条件下，采用氩气、氦气或二者的混合气体作为保护气，并采用具有0.5-5mm的直径的喷嘴，进行气雾化操作。
7.如权利要求4所述的用于制备铝合金粉末材料的方法，其特征在于，所述Al-Si中间合金材料为Al-12%Si中间合金材料，所述高温覆盖剂采用JZF-03型高温覆盖剂，所述精炼剂采用JZJ型无害铝合金精炼剂。
8.一种采用如权利要求4-7任一项所述的方法制备得到的铝合金粉末材料的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括以下步骤：
基于粒径筛分所述铝合金粉末材料，并将筛分得到的所述铝合金粉末材料作为打印材料；
采用金属3D打印机基于待打印的产品的三维图形文件将所述打印材料打印形成所述产品，所述打印采用SLM。
9.如权利要求8所述的应用方法，其特征在于，筛分获取粒径在15-53μm的范围内的所述铝合金粉末材料作为所述打印材料。
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