CN115141989A - 一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，属于增材制造材料技术领域。本发明将沉积态AlSi10Mg合金随炉从室温连续冷却至‑170～‑150℃保温0～30min后，再放入150～170℃的空气循环热处理炉中保温50～70min；在150～170℃的空气循环热处理炉中保温0～320min。以实现降低残余应力的同时提高其强度。由于激光选区熔化过程中具有极高的凝固速率，合金组织中大部分合金元素固溶于铝基体中形成了过饱和固溶体。在150～170℃的温度范围内对该合金进行热处理，可以促进组织中弥散析出G.P.区或β″(Mg2Si)强化相。这种与基体共格的析出相可以实现沉淀强化效果，从而提高合金的强度。

Description

一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，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合金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抗拉强度和屈服强度显著下降(下降幅度约34％～45％)，使得增材制造AlSi10Mg合金难以满足高载荷结构件的需要。因此，有必要开发新的热处理工艺来达到消减残余应力同时改善强度的方法。
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改善室温抗拉强度和屈服强度，本发明提供了一种降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力并提高强度的方法，所述方法可以降低激光选区熔化AlSi10Mg合金残余应力的同时提高室温抗拉强度和屈服强度。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将沉积态AlSi10Mg合金置于冷处理设备中，通入液氮或液氩从室温连续降温冷却至-170～-150℃保温0～30min后，再放入150～170℃的空气循环热处理炉中保温50～70min；
(2)在150～170℃的空气循环热处理炉中保温0～320min，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，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，干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。
进一步的，所述方法包括：所述步骤(1)重复进行1-2次。
进一步的，处理后的AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为490～525MPa；所述AlSi10Mg合金的屈服强度为285～335MPa。
进一步的，所述冷处理设备为深冷箱或恒温箱。
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合金残余应力并提高强度的方法，本发明基于激光选区熔化技术及其AlSi10Mg合金的组织特点，针对该材料具有较大残余应力而设计的热处理方法，以实现降低残余应力的同时提高其强度。由于激光选区熔化过程中具有极高的凝固速率，合金组织中大部分合金元素固溶于铝基体中形成了过饱和固溶体。在150～170℃的温度范围内对该合金进行热处理，可以促进组织中弥散析出G.P.区或β″(Mg2Si)强化相。这种与基体共格的析出相可以实现沉淀强化效果，从而提高合金的强度。
采用本发明的方法可以有效地降低激光选区熔化AlSi10Mg合金沉积态的残余应力(消减幅度约为68％～79％)，同时提升合金的室温抗拉强度(提升幅度约2.7％～9.5％)和屈服强度(提升幅度约9.7％～26.1％)。与去应力退火处理相比，该方法在消减残余应力的同时强度更高(约为前者的2倍)，有效地改善了力学性能，有助于解决激光选区熔化AlSi10Mg合金去应力处理后强度严重损失的问题。属于一种新型的、适用于激光选区熔化AlSi10Mg合金的后处理方法。
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。
一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将沉积态AlSi10Mg合金置于冷深冷箱或恒温箱中，通入液氮或液氩从室温连续降温冷却至-170～-150℃保温0～30min后，再放入150～170℃的空气循环热处理炉中保温50～70min；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。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，干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。
步骤(1)可重复进行1-2次，效果更佳。
(2)在150～170℃的空气循环热处理炉中保温0～320min，空冷至室温。
处理后的AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为490～525MPa；所述AlSi10Mg合金的屈服强度为285～335MPa。
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，通入液氮将恒温箱内及合金温度控制在-160℃，到温取出。取出后将合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S2：将S1步骤的合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间300min，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恒温箱中，通入液氮将恒温箱内及合金温度控制在-160℃，到温取出。取出后将合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S2：重复S1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，通入液氮将恒温箱内及合金温度控制在-160℃，到温取出。取出后将合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S2：重复S1步骤1次。
S3：将S2步骤的合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间240min，空冷。
实施例4：
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，通入液氮将恒温箱内及合金温度控制在-160℃，到温取出。取出后将合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S2：重复S1步骤2次。
实施例5：
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，通入液氮将恒温箱内及合金温度控制在-160℃，到温取出。取出后将合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间60min，空冷。
S2：重复S1步骤2次。
S3：将S2步骤的合金置于160℃的空气循环热处理炉中进行保温，保温时间180min，空冷。
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。
结果显示，与沉积态相比，实施例合金的残余应力下降了约68％～79％，抗拉强度提升2.7％～9.5％，屈服强度提升9.7％～26.1％，达到了降低残余应力并提高强度的效果。与应力退火处理相比，该方法在消减残余应力的同时强度更高，其中抗拉强度约为前者的1.9倍，屈服强度约为前者的2倍，由此说明，该方法可有效解决激光选区熔化AlSi10Mg合金去应力处理后强度严重损失的问题。
表1沉积态、实施例和对比例合金材料的抗拉强度和屈服强度
Figure BDA0003700044980000061
表2沉积态、实施例和对比例合金材料的Si相拉曼峰位及相对拉曼频移
Figure BDA0003700044980000062
Figure BDA0003700044980000071
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)

1.一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将沉积态AlSi10Mg合金置于冷处理设备中，通入液氮或液氩从室温连续降温冷却至-170～-150℃保温0～30min后，再放入150～170℃的空气循环热处理炉中保温50～70min；其中，AlSi10Mg合金的室温抗拉强度为490～525MPa，屈服强度为285～335Mpa；
(2)在150～170℃的空气循环热处理炉中保温0～320min，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，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所述的一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，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1一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，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。
5.根据权利要求1一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，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。
6.根据权利要求3所述的一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，其特征在于，干燥的温度为90～170℃，干燥的时间0.5～3h。
7.根据权利要求1一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，其特征在于，所述方法包括：所述步骤(1)重复进行1-2次。
8.根据权利要求1一种提高激光选区熔化AlSi10Mg合金强度的方法，其特征在于，所述冷处理设备为深冷箱或恒温箱。
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