CN114150189B - 一种应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金 - Google Patents
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Abstract
一种应用于激光选区熔化成型的高性能Al‑Si‑Mg合金，属于增材制造专用材料领域。为合金粉末，成分质量百分比为：Si：5.00‑8.00wt％，Mg：0.50‑0.80wt％，Er：0‑0.85wt％，Zr：0‑0.50wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。在氩气保护气氛下进行激光选区熔化成型，成型参数分别为：激光功率200～400W，扫描速度900～1600mm/s，扫描间距为130μm，层厚为20～60μm，基板预热温度150℃，扫描方式为条带状扫描，相邻层间扫描旋转67°。改善SLM成型后铝合金的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及所述一种应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金，属于增材制造专用材料领域。
背景技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)是一种利用高能量激光束作为热源，根据计算机辅助设计(CAD)数据选择性分层制造，逐层叠加的金属增材制造工艺(AM)，可用于熔化金属粉末成型形状复杂和优良性能的金属零部件，SLM技术可以制造具有几何复杂性和精确度的部件，而不需要去除材料或使用传统制造方法所要求的特殊夹具。由于SLM具有节约原材料、降低能耗、减小零件成本和缩短制造时间等特点，广泛应用于航空航天、汽车和生物医疗等各个领域。
Al-Si-Mg铸造铝合金以其密度低、比强度高、焊接性好、铸造性能优良等优点，广泛应用于传统铸造领域，与其他高强度铝合金相比，亚共晶AlSi7Mg铸造铝合金的固液相线温差相对较小，窄的凝固范围会产生的低的热撕裂敏感性和较好的成型性，成型微观组织主要为α-Al和连续网状Al-Si共晶产物，时效硬化的Mg/Si析出相也显著提高合金性能。而增材制造过程中的快速凝固(106-108℃/s)对于共晶Si相有相当的变质效果，避免了传统铸造工艺粗大板条状共晶Si相严重割裂组织的可能性，但是快速凝固过程中高的温度梯度和定向凝固过程形成了粗大的柱状晶组织、外延晶粒生长以及显微组织中连续的共晶Si网严重制约了Al-Si-Mg合金的强度和延展性。有限的强度和延展性仍然是阻碍它们作为关键材料在特殊领域中应用的主要瓶颈。
发明内容
为了解决上述问题，改善Al-Si-Mg合金的综合力学性能，本文针对SLM成型Al-Si-Mg合金良好成型性但性能不足特征，在Al-Si-Mg合金中加入稀土元素Er和过渡族元素Zr进行组织改性。在合金SLM成型凝固过程中形成的Al3Er、Al3Zr、Al3(Er、Zr)作为异质形核质点，促进熔池边界等轴晶的形成以细化整体组织晶粒，减小外延晶粒的生长，同时对共晶Si产生变质作用，最终达到提升成型态合金综合性能的目的。
为解决上述技术问题，应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金，其特征在于，为合金粉末，成分质量百分比为：Si：5.00-8.00wt％，Mg：0.50-0.80wt％，Er：0-0.85wt％，Zr：0-0.50wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。
优选地，所述的应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金粉末包括如下质量百分数的组分：
Si：6.50-7.50wt％，Mg：0.55-0.65wt％，Er：0.35-0.45wt％，Zr：0.35-0.45wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。
优选地，所述的应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金粉末包括如下质量百分数的组分：
Si：6.50-7.50wt％，Mg：0.55-0.65wt％，Er：0.75-0.85wt％，Zr：0.35-0.45wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。
优选的，所述的应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金粉末，其特征在于，所述合金粉末的粒径分布为20～70μm。
合金粉末在真空干燥箱中需进行80℃/6h干燥处理，以去除粉末中含有的水分。
在氩气保护气氛下进行激光选区熔化成型，成型参数分别为：激光功率200～400W，扫描速度900～1600mm/s，扫描间距为130μm，层厚为20～60μm，基板预热温度150℃，扫描方式为条带状扫描，相邻层间扫描旋转67°。
本发明利用Al-Si-Mg铝合金优良的铸造性的基础上添加改性元素Er和Zr，从而提供一种适用于激光选区熔化成型的Al-Si-Mg-Er-Zr高性能铝合金成分，改善SLM成型后铝合金的综合力学性能。
附图说明
图1为本发明设计的成分为Al7Si0.6Mg0.4Er0.4Zr合金粉末形貌，图(b)是图(a)方框中的放大图。
图2为本发明设计的成分为Al7Si0.6Mg0.4Er0.4Zr合金粉末进行SLM成型后的样品获得的横截面显微组织图像。图(a)是扫描电子显微镜二次电子像，显示了成型样品组织形貌；图(b)是对应图(a)的背散射电子图像，显示了不同衬度的物相。
图3为本发明设计的成分为Al7Si0.6Mg0.4Er0.4Zr合金粉末进行SLM成型后的样品获得的纵截面EBSD图像。
图4为本发明设计的成分为Al7Si0.6Mg0.8Er0.4Zr合金粉末进行SLM成型后的样品获得的横截面显微组织图像。图(a)是扫描电子显微镜二次电子像，显示了成型样品组织形貌；图(b)是对应图(a)的背散射电子图像，显示了不同衬度的物相。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做详细说明，本发明并不限于以下实施例。
实施例1
粉末制备
采用气雾化方法制备本发明应用于激光选区熔化成型的Al7Si0.6Mg0.4Er0.4Zr合金粉末，所制得的合金原料粉末主要成分质量百分比为：Si：6.50-7.50wt％，Mg：0.55-0.65wt％，Er：0.35-0.45wt％，Zr：0.35-0.45wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。
经气雾化方法制备的粉末，按照标准筛分网筛分出规定粒度为25-60μm范围内的合金粉末。
粉末检测
本发明的实施方式所提供的应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金粉末通过本领域的ICP-AES方法进行元素含量的检测。测得铝合金粉末包括如下质量百分数的组分：Si：7.24％、Mg：0.55％、Er：0.45％、Zr：0.40％，余量为Al和不可避免的杂质。
对合金粉末按照GB/T-19077标准激光衍射法进行粉末粒度检验。测得粉末的粒径分布为：D10：23.0um、D50:38.2um、D90:61.6um。粉末形貌如图1所示。合金粉末球形度较好，粉末吸附导致的卫星粉分布较多。
分别按照GB/T-1479.1漏斗法和GB/T-5162标准对实施例制得铝合金粉末的松装密度和振实密度进行检测，测得合金粉末的松装密度为：1.16g/cm3，振实密度为：1.50g/cm3。
SLM成型
对合金粉末在真空干燥箱中进行80℃/6h干燥处理，以去除粉末中含有的水分。
成型样品设计为20*20*100长方体，使用切片软件进行建模和分层切片。长方体样品分别采用水平成型(样品长边与成型方向垂直)和竖直成型(样品长边与成型方向平行)两种成型方式。成型参数分别为：激光功率350W，扫描速度1200mm/s，扫描间距为130μm，层厚为30μm，基板预热温度150℃，扫描方式为条带状扫描，相邻层间扫描旋转67°。在氩气保护气氛下使用Solution M280单激光激光选区熔化设备进行增材制造成型。
样品测试
使用线切割在分离成型后的基板和样品。通过标准金相制样方法制备成型样品，使用扫描电子显微镜(SEM)对成型样品进行显微组织分析，如图2所示。图2(a)显示了成型合金横截面亚微米尺寸的胞状结构；图2(b)所示的不同衬度的相分布，由共晶Si网组成的晶胞处主要分布有衬度为亮白色的Al3Er、Al3Zr和Al3(Er、Zr)颗粒，作为异质形核点促进了熔池等轴晶的形成，细化了晶粒。
使用扫描电子显微镜(SEM)配备的电子背散射衍射(EBSD)探头表征合金的晶粒大小及生长取向，如图3所示。
对不同成型方式的长方体样品按照GB/T228.1-2010标准加工成拉伸试样并进行室温拉伸测试，合金的性能测试结果见表1。
表1
通过该实施例获得的成型态样品致密度≥99.9％，水平成型的样品抗拉强度达到454.7MPa，屈服强度329.0MPa，延伸率12.0％；垂直成型的样品抗拉强度达到448.0MPa，屈服强度305.0MPa，延伸率6.0％。
实施例2
粉末制备
采用气雾化方法制备本发明应用于激光选区熔化成型高性能的Al7Si0.6Mg0.8Er0.4Zr合金粉末，所制得的合金原料粉末主要成分质量百分比为：Si：6.50-7.50wt％，Mg：0.55-0.65wt％，Er：0.75-0.85wt％，Zr：0.35-0.45wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质。
经气雾化方法制备的粉末，按照标准筛分网筛分出规定粒度为25-60μm范围内的合金粉末。
粉末检测
本发明的实施方式所提供的应用于激光选区熔化成型的高性能Al-Si-Mg合金粉末通过本领域的ICP-AES方法进行元素含量的检测。测得铝合金粉末包括如下质量百分数的组分：Si：7.24％、Mg：0.55％、Er：0.85％、Zr：0.40％，余量为Al和不可避免的杂质。
对合金粉末按照GB/T-19077标准激光衍射法进行粉末粒度检验。测得粉末的粒径分布为：D10：23.8um、D50:38.2um、D90:60.4um。
分别按照GB/T-1479.1漏斗法和GB/T-5162标准对实施例制得铝合金粉末的松装密度和振实密度进行检测，测得合金粉末的松装密度为：1.21g/cm3，振实密度为：1.51g/cm3。
SLM成型
对合金粉末在真空干燥箱中进行80℃/6h干燥处理，以去除粉末中含有的水分。
成型样品设计为20*20*100长方体，使用切片软件进行建模和分层切片。长方体样品分别采用水平成型和竖直成型两种成型方式。成型参数分别为：激光功率350W，扫描速度1200mm/s，扫描间距为130μm，层厚为30μm，基板预热温度150℃，扫描方式为条带状扫描，相邻层间扫描旋转67°。在氩气保护气氛下使用Solution M280单激光激光选区熔化设备进行增材制造成型。
样品测试
使用线切割在分离成型后的基板和样品。通过标准金相制样方法制备成型样品，使用扫描电子显微镜(SEM)对成型样品进行显微组织分析，如图4所示。
对不同成型方式的长方体样品按照GB/T228.1-2010标准加工成拉伸试样并进行室温拉伸测试，合金的性能测试结果见表2。
表2
通过该实施例获得的成型态样品致密度≥99.8％，水平成型的样品抗拉强度达到454.3MPa，屈服强度332.7MPa，延伸率12.2％；垂直成型的样品抗拉强度达到437.7MPa，屈服强度294.0.0MPa，延伸率5.2％。
由实施例1、2可以看出，本发明中的Er、Zr改性的Al-Si-Mg合金粉末具有良好的成型质量。利用成型过程中添加元素Er、Zr与Al结合生成Al3Er、Al3Zr、Al3(Er、Zr)相，在熔池底部的固液区作为异质形核的质点，起到细化熔池边界晶粒、改善柱状晶外延生长的作用，熔池边界晶粒的细化，促进熔池边界组织的均匀性，降低了变形过程中熔池边界的受力敏感性；同时，快速凝固工艺和Er、Zr添加对共晶Si产生显著变质作用，改善共晶组织形貌。总之，Er、Zr复合添加后，成型样品具有较高的拉伸强度并兼具良好的延展性，其中水平成型的样品抗拉强度超过450MPa，屈服强度超过320MPa，延伸率超过12％。本发明合金有利于解决增材制造Al-Si-Mg铸造合金强度较低延展性差的问题。
Claims (1)
1.一种高性能Al-Si-Mg合金的应用，应用于激光选区熔化成型，所述的高性能Al-Si-Mg合金为合金粉末，成分质量百分比为：高性能Al-Si-Mg合金中Si：6.50-7.50wt％，Mg：0.55-0.65wt％，Er：0.75-0.85wt％，Zr：0.35-0.45wt％，其余为Al及一些不可避免的杂质；成型后由共晶Si网组成的晶胞处主要分布有Al3Er、Al3Zr和Al3(Er、Zr)颗粒，作为异质形核点促进了熔池等轴晶的形成，细化了晶粒；
所述合金粉末的粒径分布为20～60μm；
在氩气保护气氛下进行激光选区熔化成型，成型参数分别为：激光功率350W，扫描速度1200mm/s，扫描间距为130μm，层厚为30μm，基板预热温度150℃，扫描方式为条带状扫描，相邻层间扫描旋转67°。
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2021
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