CN114309644B

CN114309644B - 一种消除铝合金零件热裂纹的方法

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Publication number: CN114309644B
Application number: CN202111264227.3A
Authority: CN
Inventors: 钱锋; 李雯哲; 程兴旺; 梁耀健; 朱逸超
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN114309644A

Abstract

本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，属于金属增材制造领域。本发明采用粉末沉积增材制造方法，将经筛选、真空干燥后的铝合金粉体加工成铝合金零件；需保证在增材制造过程中停留多次；每次停留一段时间；得到不含热裂纹的增材制造铝合金零件。本发明采用粉末沉积增材制造方法加工铝合金零件，通过调控增材制造过程中相邻打印层之间的间隔时间，改变成型块体温度分布，打破连续枝晶间液膜，得到不含热裂纹且机械性能显著提高的增材制造铝合金零件。本发明能够消除增材制造铝合金中的热裂纹，改善其机械性能，能够满足汽车工业发展对铝合金车身板的性能要求，更能保证其安全性。此外，本发明在保证高效率前提下，节约时间、成本和原材料。

Description

一种消除铝合金零件热裂纹的方法

技术领域

本发明涉及一种消除铝合金零件热裂纹的方法，属于金属增材制造领域。

背景技术

6061铝合金由于高比强度而成为一种应用广泛的轻质金属，尤其是一种理想的汽车车身轻量化材料。采用粉末沉积增材制造方法加工6061铝合金车身板，快速高效的同时节约了原材料和制造成本，更加速了设计迭代而缩短研发周期，是汽车车身板制造的最理想方式之一。

然而，铝合金粉末的吸湿度较高、流动性较差，其中的Mg元素在高激光功率下易发生剧烈的蒸发现象，以上因素导致增材制造铝合金零件中容易出现孔洞类缺陷。目前诸多研究表明，这种孔洞缺陷是无法避免的，后续进行热处理或表面处理也不能将其完全消除。此外，铝合金的热导率和激光反射率较高，为了确保其粉体充分熔化凝固，在增材制造过程中需使用较高的激光功率，导致形成粗大的柱状晶微观组织；而6061铝合金的凝固温度范围和热膨胀系数较大，快速凝固时会形成复杂的枝晶网络，并产生明显的体积收缩，因此极易在粗大的柱状晶晶界间形成热裂纹而开裂。总而言之，以上所述的金属缺陷导致采用增材制造方法加工的6061铝合金零件性能差，应用于汽车车身板、船舶船体等中大型结构件时成品不安全，严重限制了增材制造方法在铝合金领域的应用。

为了消除增材制造铝合金中的热裂纹而改善其机械性能，有研究在6061铝合金粉体中加入ZrH₂形核剂粉末，通过将柱状晶转变为等轴晶而消除热裂纹。然而，这种新成分6061/ZrH₂铝合金距离投入实际工业生产仍有很长一段路要走。其一，该研究并未报道这种增材制造6061/ZrH₂铝合金零件的机械性能，并不一定能满足工业要求；其二，加入ZrH₂形核剂后，废旧6061铝合金零件在回收冶炼时需增加额外工序，不利于其循环再利用；其三，针对6061/ZrH₂铝合金的研究尚不全面，其应用稳定性仍待时间的检验。此外，有研究发现适当提高激光功率、降低扫描速度或采取Pre-sinter预烧结扫描策略，可以抑制增材制造6061铝合金中的热裂纹倾向性，但也并未报道相应的机械性能。另有研究发现在选区熔化增材制造6061铝合金时，将粉末床温度从室温提高至500℃可以有效抑制热裂纹形成，但其机械性能仍远低于铸造6061铝合金：硬度54Hv，屈服强度60MPa，抗拉强度130MPa，均匀伸长率15％。

近年来对增材制造铝合金的研究还主要局限在微观形貌层面，有关其性能突破的报道少之又少，更是几乎没有关于粉末沉积增材制造6061铝合金性能的报道。目前，增材制造铝合金零件的机械性能与其变形态还有一定差距，仍难满足汽车工业发展对铝合金车身板的性能要求。彻底消除增材制造6061铝合金零件中的热裂纹问题而改善其机械性能，已成为当前铝工业亟待解决的问题，也是汽车制造业高速发展的迫切需求。

发明内容

为了解决增材制造铝合金时热裂纹导致其性能差、相应零件不够坚固、安全指数低的问题，本发明的目的是提供一种消除铝合金零件热裂纹的方法，采用粉末沉积增材制造方法加工铝合金零件，通过调控增材制造过程中相邻打印层之间的间隔时间，改变成型块体的温度分布，打破连续枝晶间液膜，得到不含热裂纹且机械性能大大提高的增材制造铝合金零件。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，采用粉末沉积增材制造方法，将经筛选、真空干燥后的铝合金粉体加工成铝合金零件；需保证在增材制造过程中停留多次；每次停留一段时间；得到不含热裂纹的铝合金零件；

所述铝合金粉体为6061铝合金粉体；

所述停留方法为：每打印N次停留一定时间；N≥1；

所述停留一段时间为不少于5s；

所述6061铝合金粉体的成分和重量百分比为：Si0.4～0.8wt.％，Mg0.8～1.2wt.％，Cu0.15～0.40wt.％，Fe≤0.20wt.％，Mn≤0.15wt.％，Cr0.04～0.35wt.％，Zn≤0.25wt.％，Co≤0.015wt.％，Ti≤0.15wt.％，余者为Al元素。

所述筛取6061铝合金粉末粒径范围为45～200μm。

所述将6061铝合金粉体置于真空干燥箱中烘干，烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～8h。

所述粉末沉积增材方法的工艺参数为：激光功率500～3000W，扫描速度400～1000mm/min，送粉速率1～8g/min，束斑直径0.1～8mm。

所述粉末沉积增材方法制造6061铝合金的扫描策略分别为X型、S型或随机端点型：

(1)X型：每层进行单向扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为0°、90°或180°；

(2)S型：每层进行蛇形扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为0°、90°或180°；

(3)随机端点型：每一层的打印起始点从四个顶角处随机生成，相邻四层的打印起始点各不相同，分别为四个顶角，即每四层为一轮，每轮的起始点涵盖了四个顶角。

所述铝合金零件，硬度≥65Hv，屈服强度≥65MPa，抗拉强度≥120MPa，均匀伸长率≥5％。

对所述铝合金零件进行固溶时效处理，获得峰值时效T6态6061铝合金零件，其中固溶温度为500～600℃，固溶时间为1～10h，时效温度为150～250℃，时效时间为2～20h。

所述铝合金零件三维模型，在峰值时效T6态的硬度≥120Hv，屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥250MPa，均匀伸长率≥5％。

有益效果：

(1)本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，能够有效释放激光加工过程中的累积热应力，消除增材制造铝合金中的热裂纹，从而改善增材制造6061铝合金零件的机械性能，其机械性能可与铸造乃至变形6061铝合金零件相媲美，满足工业要求，保证其用于制造汽车车身板时的安全性。

(2)与采用传统的“毛坯成形”技术制备6061铝合金零件相比，本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，能够实现快速设计迭代，节省反复开模而耗费的时间和成本。

(3)与采用其他类别增材制造技术制备6061铝合金零件相比，本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，能够提高生产效率，缩短生产周期，并能够实现大尺寸零件制造，是汽车车身板制造的理想制备工艺。

附图说明

图1为粉末沉积增材制造6061铝合金粉体以及成型零件的照片。(a)粉末沉积增材制造6061铝合金粉体的扫描电镜图像；(b)粉末沉积增材制造6061铝合金零件的照片；(c)粉末沉积增材制造6061铝合金零件的照片。

图2为铸造6061铝合金零件与粉末沉积增材制造6061铝合金零件的电子背散射衍射EBSD图像。(a)铸造原始态；(b)实施例1；(c)实施例2。

图3为粉末沉积增材制造6061铝合金零件与铸造、变形6061铝合金零件的扫描电镜图像。(a)实施例1；(b)实施例2。

图4为粉末沉积增材制造6061铝合金零件的CT三维重构图像。(a)实施例1；(b)实施例2.

图5为粉末沉积增材制造6061铝合金零件与铸造、变形6061铝合金零件的拉伸性能对比。(a)原始状态下；(b)峰值时效T6状态下。

具体实施方法

下面结合具体实例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的研究人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，仍可以做出若干改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例为采用一种消除铝合金零件热裂纹的方法，采用粉末沉积增材制造工艺加工40×30×70mm(其中70为高度方向)6061长方体试块，包括以下步骤：

步骤1、准备6061铝合金粉体和与粉体化学成分相同的6061铝合金基板，其中粉体成分和重量百分比为：Si0.68 wt.％，Mg1.12 wt.％，Cu0.23 wt.％，Fe<0.07wt.％，Mn<0.03wt.％，Cr0.15 wt.％，Zn<0.01wt.％，Co<0.014wt.％，Ti<0.007wt.％，余者为Al元素；

步骤2、将6061铝合金粉体进行筛选处理，筛取粉体粒径范围为45～125μm，随后将其进行真空干燥，烘干温度为100℃，烘干时间为2h；

步骤3、将需打印的6061铝合金零件三维模型转化为STL格式的文件，添加至切片软件中进行切片处理，将其分切成无数个横截面后导入激光粉末沉积增材制造设备中；

步骤4、打开粉末沉积增材制造设备，在惰性气体Ar的保护下，进行同轴送粉激光扫描，依照计算机指令逐点、逐行、逐层打印，将铝合金粉体加工成铝合金零件；设置粉末沉积增材制造参数为：激光功率1000W，扫描速度600mm/min，送粉速率2.5g/min，束斑直径0.8mm；设置X型扫描策略的具体方式为：每层进行单向扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为0°、90°或180°；设置粉末沉积增材制造过程中，每4层间隔30s；

步骤5、制造完成后，关闭粉末沉积增材制造设备，将6061铝合金零件置于制备室中冷却，冷却至室温后取出。

通过上述方法制备的6061铝合金长方体成型零件如图1(b)和图1(c)所示；如图2(a)和图2(b)所示，本例所加工的6061铝合金零件中柱状晶较为细小，不同于铸造6061铝合金中较大的晶粒形貌；如图3(a)和图4(a)所示，本例所加工的6061铝合金零件中无宏观裂纹；如图5(a)所示，本例所加工的6061铝合金零件性能明显优于铸造原始态，塑性也可与变形原始态相媲美，原始打印态的室温拉伸力学性能为：屈服强度为105±2MPa，抗拉强度为165±8MPa，均匀伸长率为7±2MPa，硬度为80±8Hv；如图5(b)所示，本例所加工的6061铝合金零件性能在峰值时效T6态的机械性能可与铸造T6态、变形T6态相媲美，其室温拉伸力学性能为：屈服强度为249±10MPa，抗拉强度为255±5MPa，均匀伸长率为1±0MPa，硬度为125±4Hv。

实施例2

步骤2、将6061铝合金粉体进行筛选处理，筛取粉体粒径范围为75～150μm(如图1(a)所示)，随后将其进行真空干燥，烘干温度为125℃，烘干时间为5h；

步骤4、打开粉末沉积增材制造设备，在惰性气体Ar的保护下，进行同轴送粉激光扫描，依照计算机指令逐点、逐行、逐层打印，将铝合金粉体加工成铝合金零件；设置粉末沉积增材制造参数为：激光功率1400W，扫描速度720mm/min，送粉速率4g/min，束斑直径3mm；设置随机端点型扫描策略的具体方式为：每一层的打印起始点从四个顶角处随机生成，相邻四层的打印起始点各不相同，分别为四个顶角，即每四层为一轮，每轮的起始点涵盖了四个顶角；设置粉末沉积增材制造过程中，每1层间隔8s；

通过上述方法制备的6061铝合金长方体成型零件如图1(b)和图1(c)所示；如图2(a)和图2(c)所示，本例所加工的6061铝合金零件中柱状晶较为细小，不同于铸造6061铝合金中较大的晶粒形貌；如图3(b)和图4(b)所示，本例所加工的6061铝合金零件中无宏观裂纹；如图5(a)所示，本例所加工的6061铝合金零件性能明显优于铸造原始态，塑性也可与变形原始态相媲美，原始打印态的室温拉伸力学性能为：屈服强度为112±10MPa，抗拉强度为184±2MPa，均匀伸长率为11±2MPa，硬度为79±7Hv；如图5(b)所示，本例所加工的6061铝合金零件性能在峰值时效T6态的机械性能可与铸造T6态、变形T6态相媲美，其室温拉伸力学性能为：屈服强度为281±1MPa，抗拉强度为318±5MPa，均匀伸长率为18±1MPa，硬度为125±4Hv。

实施例3

步骤2、将6061铝合金粉体进行筛选处理，筛取粉体粒径范围为80～200μm，随后将其进行真空干燥，烘干温度为170℃，烘干时间为8h；

步骤4、打开粉末沉积增材制造设备，在惰性气体N₂的保护下，进行同轴送粉激光扫描，依照计算机指令逐点、逐行、逐层打印，将铝合金粉体加工成铝合金零件；设置粉末沉积增材制造参数为：激光功率1800W，扫描速度960mm/min，送粉速率6g/min，束斑直径5.5mm；设置S型扫描策略的具体方式为：每层进行蛇形扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为0°、90°或180°；设置粉末沉积增材制造过程中，每1层间隔30s；

通过上述方法制备的6061铝合金长方体成型零件如图1(b)和图1(c)所示；本例所加工的6061铝合金零件中无宏观裂纹且机械性能良好，原始打印态的室温拉伸力学性能为：屈服强度为69±5MPa，抗拉强度为123±1MPa，均匀伸长率为10±3MPa，硬度为80±6Hv。

实施例4

步骤2、将6061铝合金粉体进行筛选处理，筛取粉体粒径范围为75～150μm，随后将其进行真空干燥，烘干温度为150℃，烘干时间为10h；

步骤4、打开粉末沉积增材制造设备，在惰性气体Ar体加工成铝合金零件；设置粉末沉积增材制造参数为：激光功率1400W，扫描速度720mm/min，送粉速率4g/min，束斑直径3mm；设置S型扫描策略的具体方式为：每层进行蛇形扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为0°、90°或180°；设置粉末沉积增材制造过程中，每1层间隔5s；

通过上述方法制备的6061铝合金长方体成型零件如图1(b)和图1(c)所示；本例所加工的6061铝合金零件中无宏观裂纹且机械性能良好。

实施例5

步骤2、将6061铝合金粉体进行筛选处理，筛取粉体粒径范围为75～150μm，随后将其进行真空干燥，烘干温度为125℃，烘干时间为5h；

步骤4、打开粉末沉积增材制造设备，在惰性气体N₂的保护下，进行同轴送粉激光扫描，依照计算机指令逐点、逐行、逐层打印，将铝合金粉体加工成铝合金零件；设置粉末沉积增材制造参数为：激光功率1600W，扫描速度800mm/min，送粉速率5g/min，束斑直径4mm；设置随机端点型扫描策略的具体方式为：每一层的打印起始点从四个顶角处随机生成，相邻四层的打印起始点各不相同，分别为四个顶角，即每四层为一轮，每轮的起始点涵盖了四个顶角；设置粉末沉积增材制造过程中，每2层间隔8s；

表1、各实施例与铸造、变形6061铝合金原始态的性能测试对比数据。

表2、各实施例与铸造、变形6061铝合金T6态的性能测试对比数据。

综上所述，本发明公开的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，能够有效释放激光加工过程中的累积热应力，消除粉末沉积增材制造6061铝合金中的热裂纹，从而显著改善其机械性能，获得可与铸造乃至变形6061铝合金零件媲美的增材制造6061铝合金。与采用传统的“毛坯成形”技术或其他类别增材制造技术制备6061铝合金零件相比，采用本发明的技术方案更加快速高效，可以有效提高生产效率，缩短生产周期；同时，采取本发明的技术方案还可以实现快速设计迭代，节省了反复开模而耗费的时间和成本；此外，采取本发明的技术方案可以实现大尺寸零件制造，是汽车车身板制造的理想制备工艺。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：采用粉末沉积增材制造方法，将经筛选、真空干燥后的铝合金粉体加工成铝合金零件；调控增材制造过程中的层间停留时间和方式：需保证在增材制造过程中停留多次，每次停留一段时间；消除铝合金零件热裂纹，得到机械性能大大提高的铝合金零件；

所述铝合金粉体为6061铝合金粉体，粒径范围为45～200μm；

所述停留多次，每次停留一段时间为：每打印N层停留M秒，其中N＝1/2/4，M≥5；

所述铝合金零件，硬度≥65Hv，屈服强度≥65MPa，抗拉强度≥120MPa，均匀伸长率≥5％；

所述粉末沉积增材制造方法的工艺参数为：激光功率500～3000W，扫描速度400～1000mm/min，送粉速率1～8g/min，束斑直径0.1～8mm。

2.如权利要求1所述的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：所述6061铝合金粉体的成分和重量百分比为：Si0.4～0.8wt.％，Mg0.8～1.2wt.％，Cu0.15～0.40wt.％，Fe≤0.20wt.％，Mn≤0.15wt.％，Cr0.04～0.35wt.％，Zn≤0.25wt.％，Co≤0.015wt.％，Ti≤0.15wt.％，余者为Al元素。

3.如权利要求1所述的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：真空干燥烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～8h。

4.如权利要求1所述的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：所述粉末沉积增材制造方法制造6061铝合金的扫描策略分别为X型、S型或随机端点型：

(1)X型：每层进行单向扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为90°或180°；

(2)S型：每层进行蛇形扫描，激光扫描方向每一层旋转一次，旋转角度为α，α为90°或180°；

5.如权利要求1所述的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：还包括对所述铝合金零件进行固溶时效热处理，获得峰值时效T6态6061铝合金零件，其中固溶温度为500～600℃，固溶时间为1～10h，时效温度为150～250℃，时效时间为2～20h。

6.如权利要求5所述的一种消除铝合金零件热裂纹的方法，其特征在于：所述铝合金零件，在峰值时效T6态的硬度≥120Hv，屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥250MPa，均匀伸长率≥5％。