CN113969367B - 一种铝锂合金材料、部件及其制备方法 - Google Patents

一种铝锂合金材料、部件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于选区激光熔化技术的铝锂合金材料体系，选取成分含量为Mg：1.0‑7.0％；Mn：0.3‑2.0％；Li：0.5‑2.0％；Sc：0.2‑1.0％；Zr：0.1‑0.5％；余量为Al的铝锂合金材料，通过优化粉末制备工艺、打印工艺及热处理工艺，有效控制其内部裂纹的产生，从而为航空航天领域所需轻量化零部件的快速制造提供原材料及制备工艺基础支撑。

Description

一种铝锂合金材料、部件及其制备方法
技术领域
本申请涉及铝锂合金领域，更具体的涉及一种可用于增材制造的铝锂合金粉末材料及部件，以及该粉末材料及部件的制备方法。
技术背景
增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备快速精密的制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。这些技术面向航空航天、武器制造、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工制造难题。
铝锂合金具有密度低、强度高、弹性模量高且损伤容限性优良等特点，用它替代常规铝合金材料，能够使构件的密度降低3％，重量减少10％～15％，刚度提高15％～20％，因此被认为是武器装备轻量化的理想结构材料。但由于Li元素极其活泼，传统铸造过程工艺要求苛刻，容易导致成分偏析并增加后续加工流程，因此铝锂合金结构件的制造具有较大的困难。增材制造技术具有成分偏析小，组织晶粒细小，直接成形等工艺特点，利用增材制造技术制备铝锂合金结构件，既能够最大限度的释放设计自由度，保证结构强度与刚度的同时减少设计冗余，又能充分利用铝锂合金材料本身的优质特性，可最大限度的满足航空航天零件产品的轻量化要求，是未来铝锂合金制造的重点发展方向之一。
统牌号铝锂合金材料在选区激光熔化过程中存在内部开裂的问题。现有技术公开了利用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金，通过调控热处理以及轧制的步骤，减少了电弧增材制造过程中产生的孔洞。但该方法仅可适用于电弧增材的工艺技术，加工的产品表面质量粗糙且不能用于加工尺寸精细的零部件，因此应用范围十分有限。如何开发一种新型的适用于选区激光熔化工艺的铝锂合金，以及与其配套的增材制造成形工艺是现有技术的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于选区激光熔化技术的铝锂合金材料体系，并通过优化成分，以及粉末制备、打印工艺及热处理工艺，有效控制其内部裂纹的产生，从而为航空航天领域所需轻量化零部件的快速制造提供原材料及制备工艺基础支撑。
本发明提供一种铝锂合金粉末材料，所述粉末材料包含如下所述质量百分占比的各元素：
Mg：1.0-7.0％
Mn：0.3-2.0％
Li：0.5-2.0％
Sc：0.2-1.0％
Zr：0.1-0.5％
余量为Al。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料，所述铝锂合金粉末材料的粒径为10-60μm。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料，所述铝锂合金粉末材料的粒径为10-45微米，或者15-53微米，或者20-60微米。
根据研究发现，上述的粉末材料除了不可避免的杂质元素之外，可以不用添加其他元素，即可以实现较好的增材制造效果。现有技术中，通过添加种类繁杂的合金元素，以调控合金粉末的性能，以解决开裂、强度低的问题。本发明提供的合金元素较少，通过有限的元素添加，便可以解决现有技术中存在的开裂、强度低的技术问题。避免了复杂合金元素带来的，因为元素控制不当而造成的诸多质量问题。
本发明还提供一种铝锂合金粉末材料的制备方法，所述制备方法包括：
S1：按照元素配比将各元素母料进行熔炼；
S2：将熔炼得到的熔体进行气雾化，得到初始铝锂合金粉末；
S3：将初始合金粉末进行气流分级，得到铝锂合金粉末。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，所述金属母料为可以用于制备合金的原料，可以为纯金属、合金或者中间合金。本发明可以选用铝锭、铝钪中间合金、铝锂中间合金、镁、锰、Zr等，进行真空熔炼。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，所述熔炼温度为750-800℃。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，进一步优选的，所述熔炼温度为765℃-775℃。更进一步优选的，所述熔炼温度为770℃。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，所述熔炼压力为0.4-0.6MPa，进一步优选的，0.5MPa。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，雾化压力为2.3-5MPa。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，所述气流分级筛选出粒径在10-45微米，或者15-53微米，或者20-60微米等区间的铝锂合金粉末。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的制备方法，在气雾化或气流分级过程中采用惰性气体作为保护气体。进一步优选的，所述惰性气体为氩气或氮气。
本发明还提供一种铝锂合金粉末材料的增材制造方法，所述增材制造方法包括：
步骤1：将铝锂合金粉末材料进行预热；
步骤2：对预热的铝锂合金粉末材料进行打印，打印的激光器光斑直径为60-80μm，激光功率200-400W，扫描速度500-2000mm/s，单层铺粉层厚25-60微米，扫描线间距80-150微米。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的增材制造方法，所述预热温度为280℃-375℃，预热时间2-4h。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的增材制造方法，在步骤2之后，还包括热处理工艺，热处理温度160-200℃，热处理时间18-30小时。
根据本发明提供的一种铝锂合金粉末材料的增材制造方法，所述的热处理温度为180℃，热处理时间为24h。
本发明还提供一种铝锂合金增材制造部件，所述增材制造部件由上述的锂合金粉末材料通过所述的增材制造方法制备得到。
本发明涉及的铝锂合金热处理工艺技术参数包括：180℃保温24h。
本发明还提供一种铝锂合金增材制造部件，所述部件的材料密度≤2.53g/cm3，抗拉强度≥550MPa，屈服强度≥490MPa，延伸率≥8％，弹性模量≥75GPa。
有益效果
从技术上，本发明涉及的化学成分简单，可控性高，工艺过程实现较为容易，且可适用于选区激光熔化工艺，从而打印出表面质量高/无内部裂纹/材料密度低/弹性模量高的铝锂合金产品。
从经济效益上，本发明所涉及的铝锂合金材料及其增材制造成型工艺及热处理工艺，可解决目前该产品常用铝合金材料密度大、弹性模量低、结构冗余较多的问题，实现航空航天结构零件轻量化和微小化的目标，能使该类结构在保证强度和刚度的前提下整体重量减轻10％。本发明还可推广应用到部分防空、飞航、战术地地导弹导引头、惯组、雷达馈源组件、引信、应答机、电气控制装置、舵机、结构支架(拓扑结构、复杂结构支架)以及宇航结构件等具有轻质高弹性模量需求的结构中，同时还能推广应用到大飞机上部分支架结构、复杂结构等结构件中。
附图说明
图1本发明实施例1所制备得到的粉末材料SEM图
具体实施方式
以下基于实施例对本申请进行描述，本领域普通技术人员应当理解，下述的实施例仅为众多实施方式中的有限几种，本发明的保护范围不限于下述实施例中的内容。
实施例1：
按照质量分数比为：Mg：4.5％；Mn：1.5％；Li：1.5％；Sc：0.6％；Zr：0.3％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为770℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.0MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末在氩气气氛下进行320℃/2.5h保温预处理，冷却后放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度550MPa，屈服强度500MPa,延伸率8％，弹性模量78GPa，产品无开裂。
实施例2
按照质量分数比为：Mg：7％；Mn：2％；Li：2％；Sc：0.5％；Zr：0.2％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为780℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.5MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为10-45微米。对分级后的粉末在氩气气氛下进行300℃/2.0h保温预处理，冷却后放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率220w，扫描间距100微米，扫描速度800mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度537MPa，抗拉强度490MPa,延伸率8.5％，弹性模量76GPa，产品无开裂。
实施例3
按照质量分数比为：Mg：3.5％；Mn：1.0％；Li：0.5％；Sc：0.8％；Zr：0.4％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为790℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为2.8MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末在氩气气氛下进行330℃/2.0h保温预处理，冷却后放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径65微米，铺粉层厚40微米，激光功率250w，扫描间距90微米，扫描速度1100mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度555MPa，屈服强度510MPa,延伸率7.5％，弹性模量80GPa，产品无开裂。
对比例1
按照质量分数比为：Mg：4.5％；Mn：1.5％；Li：1.5％；Sc：0.6％；Zr：0.3％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为770℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.0MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度460MPa，屈服强度400MPa,延伸率15％。
对比例2
按照质量分数比为：Mg：4.5％；Mn：1.5％；Li：1.5％；Sc：0.6％；Zr：0.3％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为770℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.0MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在320℃温度下，保温4h。产品力学性能如下：抗拉强度530MPa，屈服强度500MPa,延伸率1％。
对比例3
按照质量分数比为：Mg：4.5％；Mn：1.5％；Sc：0.6％；Zr：0.3％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为770℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.0MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末在氩气气氛下进行320℃/2.5h保温预处理，冷却后放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度535MPa，屈服强度515MPa,延伸率10％，弹性模量67GPa，产品无开裂。
对比例4
按照质量分数比为：Mg：4.5％；Mn：1.5％；Li：3.5；Sc：0.6％；Zr：0.3％；余量为Al进行配比原料。对原料进行真空熔炼，熔炼温度为770℃。随后在氩气为介质的雾化气体压力下，进行铝锂合金粉末制备，雾化压力为3.0MPa。随后在氮气保护下进行气流分级，分级后粉末粒径分布区间为15-53微米。对分级后的粉末在氩气气氛下进行320℃/2.5h保温预处理，冷却后放置于选区激光熔化设备中进行打印，打印参数为：光斑直径60微米，铺粉层厚20微米，激光功率180w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品力学性能如下：抗拉强度470MPa，屈服强度430MPa,延伸率10％，弹性模量60GPa。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域技术人员而言，本申请可以有各种改动和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：所述增材制造方法包括如下步骤：
步骤1：将铝锂合金粉末材料进行预热；
步骤2：对预热的铝锂合金粉末材料进行打印，打印的激光器光斑直径为60-80μm，激光功率200-400W，扫描速度500-2000mm/s，单层铺粉层厚25-60微米，扫描线间距80-150微米；
所述铝锂合金粉末材料包含如下所述质量百分占比的元素：
Mg：1.0-7.0％
Mn：0.3-2.0％
Li：0.5-2.0％
Sc：0.2-1.0％
Zr：0.1-0.5％
余量为Al，所述铝锂合金粉末材料的粒径为10-60μm；
所述预热温度为280℃-375℃，预热时间2-4h。
2.如权利要求1所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：在步骤2之后，还包括热处理工艺，热处理温度160-200℃，热处理时间18-30小时。
3.如权利要求1所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：所述铝锂合金粉末材料的制备方法包括：
S1：按照元素配比将各元素母料进行熔炼；
S2：将熔炼得到的熔体进行气雾化，得到初始铝锂合金粉末；
S3：将初始合金粉末进行气流分级，得到铝锂合金粉末。
4.如权利要求3所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：熔炼温度为750-800℃。
5.如权利要求3所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：熔炼压力为0.4-0.6MPa。
6.如权利要求3所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：雾化压力为2.3-5MPa。
7.如权利要求3所述的铝锂合金粉末材料的增材制造方法，其特征在于：在气雾化或气流分级过程中采用惰性气体作为保护气体。
8.一种铝锂合金增材制造部件，其特征在于，所述增材制造部件如权利要求1-7中任一项所述的增材制造方法制备得到。
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