CN114959519A - 一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，属于增材制造材料技术领域。本发明通过将沉积态AlSi10Mg合金随炉从室温下冷却至‑110～‑130℃保温0～30min后，再放入110～130℃的空气循环热处理炉中保温50～70min。使激光选区熔化AlSi10Mg合金沉积态的残余应力降低67.5％～71.4％，同时抗拉强度和屈服强度与沉积态基本相当。与通过退火处理的方法去除激光选区熔化AlSi10Mg合金的残余应力相比，本发明的方法可以显著降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的同时还能保持AlSi10Mg合金的室温强度(如抗拉强度和屈服强度)，有效避免了传统的去应力退火工艺导致的强度损失问题。本发明的方法属于一种新型的适用于激光选区熔化AlSi10Mg合金的热处理技术。

Description

一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法
技术领域
本发明涉及一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，属于增材制造材料技术领域。
背景技术
近年来，以激光选区熔化为代表的金属增材制造技术发展迅速。但由于激光选区熔化过程中的冷却速率高、温度梯度大，且存在复杂的循环热传导，导致沉积态合金中通常存在较大的残余应力，严重地影响了材料的疲劳性能和抗应力腐蚀性能。因此，激光选区熔化成形的材料大多需要进行去应力处理。
目前，增材制造领域广泛应用的铝合金为AlSi10Mg，该材料具有良好的激光选区熔化工艺适应性，已广泛用于增材制造铝合金零部件的成形。现阶段，大多采用270℃～300℃退火处理2～3小时的方式来降低沉积态AlSi10Mg合金(即激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金)的残余应力。但是，该处理工艺会导致退火态合金的室温力学性能(抗拉强度和屈服强度)显著下降(下降幅度约34％～45％)。因此，有必要开发新的后处理工艺来达到消减残余应力同时不损失室温抗拉强度的方法。
发明内容
为了降低激光选区熔化AlSi10Mg合金沉积态的残余应力的同时不损失室温抗拉强度，本发明提供一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法。所述方法可以降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的同时不损失室温抗拉强度。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将沉积态合金AlSi10Mg在室温下置于冷处理设备中，通入液氮将沉积态AlSi10Mg合金随炉从室温下连续降温冷却至-110～-130℃保温0～30min后取出；
步骤2：取出后将沉积态合金AlSi10Mg合金再放入110～130℃的空气循环热处理炉中保温50～70min，空冷至室温。
进一步的，所述沉积态AlSi10Mg合金是指激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金。
进一步的，所述激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金是通过如下方法制备得到的：将粒径20～65μm的AlSi10Mg雾化粉末在防爆干燥箱中进行干燥处理，再利用激光选区熔化设备进行打印成形，将成形后的合金用线切割取下，获得激光选区熔化AlSi10Mg合金。
进一步的，干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。
进一步的，成形时采用棋盘扫描策略，激光功率300～450W，扫描速率800～1500mm/s，铺粉层厚20～60μm，搭接间距0.1～0.2mm。
进一步的，成形过程采用氩气进行保护，控制气氛氧含量低于100ppm。
进一步的，所述步骤2后重复步骤(1)和步骤(2)1～2次。
进一步的，处理后激光选区熔化AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为470～500MPa；
进一步的，所述AlSi10Mg合金的屈服强度为250～300MPa。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法。通过本发明的方法可以使激光选区熔化AlSi10Mg合金沉积态的残余应力降低67.5％～71.4％，同时抗拉强度和屈服强度与沉积态基本相当。与通过退火处理的方法去除激光选区熔化AlSi10Mg合金的残余应力相比，本发明的方法可以显著降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的同时还能保持AlSi10Mg合金的室温强度(如抗拉强度和屈服强度)，有效避免了传统的去应力退火工艺导致的强度损失问题，同时本申请的残余应力的降低所需的时间相较于现有技术大大降低，显著提高了合金材料的制备成本，为其批量生产提供保障。本发明的方法属于一种新型的适用于激光选区熔化AlSi10Mg合金的热处理技术。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将沉积态合金AlSi10Mg在室温下置于冷处理设备中，通入液氮将沉积态AlSi10Mg合金随炉从室温下连续降温冷却至-110～-130℃保温0～30min后取出；所述沉积态AlSi10Mg合金是指激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金。
所述激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金是通过如下方法制备得到的：将粒径20～65μm的AlSi10Mg雾化粉末在防爆干燥箱中进行干燥处理，再利用激光选区熔化设备进行打印成形，将成形后的合金用线切割取下，获得激光选区熔化AlSi10Mg合金。干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。成形时采用棋盘扫描策略，激光功率300～450W，扫描速率800～1500mm/s，铺粉层厚20～60μm，搭接间距0.1～0.2mm。成形过程采用氩气进行保护，控制气氛氧含量低于100ppm。
步骤2：取出后将沉积态合金AlSi10Mg合金再放入110～130℃的空气循环热处理炉中保温50～70min，空冷至室温。
步骤2后重复步骤(1)和步骤(2)1～2次，效果更佳。
处理后激光选区熔化AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为470～500MPa；屈服强度为250～300MPa。
制备例1：
将粒径20～63μm的AlSi10Mg雾化粉末在防爆干燥箱中进行干燥处理，温度为120℃，时间1.5h。再利用激光选区熔化设备进行打印成形，成形时采用棋盘扫描策略，激光功率370W，扫描速率1000mm/s，铺粉层厚30μm，搭接间距0.12mm；成形过程采用氩气进行保护，控制气氛氧含量低于100ppm。将成形后的合金用线切割取下，获得激光选区熔化AlSi10Mg合金。
实施例1：
将制备例1的激光选区熔化AlSi10Mg合金进行处理，其过程如下：
S1：将沉积态合金在室温下置于深冷箱中，通入液氮将设备内及合金温度控制在-120℃，到温取出。
S2：取出后将合金置于120℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
实施例2：
将制备例1的激光选区熔化AlSi10Mg合金进行处理，其过程如下：
S1：将沉积态合金在室温下置于深冷箱中，通入液氮将设备内及合金温度控制在-120℃，到温取出。
S2：取出后将合金置于120℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S3：重复S1和S2步骤1次。
实施例3：
将制备例1的激光选区熔化AlSi10Mg合金进行处理，其过程如下：
S1：将沉积态合金在室温下置于恒温箱中，通入液氮将设备内及合金温度控制在-120℃，到温取出。
S2：取出后将合金置于120℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S3：重复S1和S2步骤2次。
对比例1：
将制备例1的激光选区熔化AlSi10Mg合金进行去应力退火处理，其过程如下：
S1：将沉积态合金在室温下置于300℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间120min，空冷。
测试例1：
分别按照GB/T 228.1-2010测试沉积态和上述各实施例、对比例中处理后的合金材料的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)，结果如表1；对上述各状态合金进行拉曼光谱试验，测试AlSi10Mg合金中Si相的拉曼光谱曲线，采用PsdVoigt1函数对上述拉曼光谱曲线进行拟合，完成Si相拉曼峰位统计。利用各状态合金中Si相拉曼峰位与无应力状态下Si相标准拉曼峰位(520cm-1)计算出不同状态Si相的相对拉曼频移，结果如表2。由于Si相的相对拉曼频移与残余应力存在如下比例关系：
σ＝-425·Δw
式中，σ为残余应力，Δw为相对拉曼频移。故可根据不同状态合金中Si相的相对拉曼频移对比各状态合金的残余应力变化情况。
表1沉积态、实施例1-3和对比例1的合金材料的抗拉强度和屈服强度
Figure BDA0003688388080000051
表2沉积态、实施例1-3和对比例1的合金的Si相拉曼峰位及相对拉曼频移
Figure BDA0003688388080000052
Figure BDA0003688388080000061
结果显示，采用本发明可以实现激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力消减，幅度达到67.5％～71.4％；同时可以有效避免合金的强度性能发生损失。与去应力退火相比，可以保证合金残余应力下降的同时强度不衰减。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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 (8)

1.一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将沉积态合金AlSi10Mg在室温下置于冷处理设备中，通入液氮将沉积态AlSi10Mg合金随炉从室温下连续降温冷却至-110～-130℃保温0～30min后取出；
步骤2：取出后将沉积态合金AlSi10Mg合金再放入110～130℃的空气循环热处理炉中保温50～70min，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，所述沉积态AlSi10Mg合金是指激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金。
3.根据权利要求2所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，所述激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金是通过如下方法制备得到的：将粒径20～65μm的AlSi10Mg雾化粉末在防爆干燥箱中进行干燥处理，再利用激光选区熔化设备进行打印成形，将成形后的合金用线切割取下，获得激光选区熔化AlSi10Mg合金。
4.根据权利要求3所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。
5.根据权利要求3所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，成形时采用棋盘扫描策略，激光功率300～450W，扫描速率800～1500mm/s，铺粉层厚20～60μm，搭接间距0.1～0.2mm。
6.根据权利要求3所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，成形过程采用氩气进行保护，控制气氛氧含量低于100ppm。
7.根据权利要求1所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，所述步骤2后重复步骤(1)和步骤(2)1～2次。
8.根据权利要求1所述的降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的方法，其特征在于，处理后激光选区熔化AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为470～500MPa；所述AlSi10Mg合金的屈服强度为250～300MPa。
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