CN115747585A - 一种耐热铝合金件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐热铝合金及其制备方法，该铝合金件主要通过Mg、Mn、Sc、Zr、Ti等元素提高铝合金粉末成形后的强度和耐高温性能，使得本发明的耐热铝合金件抗拉强度大于570MPa，延伸率大于8％，200℃高温条件下，抗拉强度大于300MPa，延伸率大于10％。该制备方法以包括Mg、Mn、Sc、Zr、Ti等元素的气雾化球形金属粉末为原料，通过优化激光选区熔化工艺参数，可以使成形精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于10μm，致密度大于99％，样品显微组织没有明显微裂纹，孔隙缺陷尺寸小于2μm，最终得到组织相对致密、缺陷少、综合性能良好的耐热铝合金件。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其是一种耐热铝合金件及其制备方法。
背景技术
铝合金由于具备高的比强度、耐腐蚀性，易加工性等优点，在航空航天、武器装备、电子器件、交通运输、医疗器械等领域应用广泛。但目前的铝合金在200℃以上会发生快速的粗化或溶解等变化，导致其很难在200℃以上长期使用。
发明内容
本发明提供一种耐热铝合金件及其制备方法，用于克服现有技术中铝合金耐热性能差等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种耐热铝合金件，所述铝合金件包括以下质量百分比的组分：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述耐热铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量百分比称取原料：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末；
S2：通过三维建模软件构建目标铝合金件模型，并将模型进行支撑导入、二维切片后，输入激光选区熔化成型设备中；
S3：将所述金属粉末装入粉末舱，设置工艺参数，在惰性气氛下进行激光熔化加工，获得毛坯件；
S4：对所述毛坯件进行线切割、热处理和表面处理，得到耐热铝合金件。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的耐热铝合金件主要通过Mn、Sc、Zr、Ti等元素提高铝合金粉末成形后的强度和耐高温性能，使得本发明的耐热铝合金件抗拉强度大于570MPa，延伸率大于8％，200℃高温条件下，抗拉强度大于300MPa，延伸率大于10％。
2、本发明提供的耐热铝合金件制备方法以包括Mn、Sc、Zr、Ti等元素的混合粉末为原料，通过优化激光选区熔化工艺参数，可以使成形精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于10μm，致密度大于99％，样品显微组织没有明显微裂纹，孔隙缺陷尺寸小于2μm，最终得到组织相对致密、缺陷少、综合性能良好的耐热铝合金件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1制备的耐热铝合金件金相腐蚀前显微组织图；
图2为实施例1制备的耐热铝合金件金相腐蚀后显微组织图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种耐热铝合金件，所述铝合金件的组分及质量百分比为：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
本发明还提出一种如上述所述耐热铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量百分比称取原料金属锭：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末。
S2：通过三维建模软件构建目标铝合金件模型，并将模型进行支撑导入、二维切片后，输入激光选区熔化成型设备中。
S3：将所述金属粉末装入粉末舱，设置工艺参数，在惰性气氛下进行激光熔化加工，获得毛坯件。
S4：对所述毛坯件进行线切割、热处理和表面处理，得到耐热铝合金件。
线切割为反复走丝电火花线切割机床，以低于10mm/s的速度进行。
优选地，所述步骤S1中，金属粉末的粒度范围在15～53μm，包括粒度分布D10：12～20μm、D50：27～35μm、D90：48～60μm。
粉末粒径在D10值以下的粉末，应该控制其在整体粉末中的含量占比小于10％，高占比容易造成粉末粒径分布范围较大，在激光选区熔化成形过程中，造成粉末对激光的吸收率不同，而使成形件性能不稳定，但是细粉末烧结驱动力大，有利于激光烧结的进行，同时细颗粒填充到大颗粒的空隙中，可减少成形件的空隙，提高成型件的致密度和强度，因此，需保留一部分细颗粒粉末。粉末粒径大于53μm的粉末，是造成成形件表面粗糙，成形精度差的主要原因之一，因此在需要通过振动筛分和气流分级技术进行控制，尽可能减少其含量，占比小于10％。
优选地，在步骤S1中，混匀后的金属粉末的松装密度为1.1～1.5g/cm3。在每层粉末层打印过程中，密度影响成形过程的稳定性，符合要求的粉末能避免打印中形成应力开裂，保证良好的组织内部状态。
优选地，在步骤S2中，二维切片的切片厚度为0.03～0.06mm。
使用三维软件构建所需要的模型，并将其保存为STL格式。通过增材制造处理软件对构建的模型进行支撑的添加和切片处理。
优选地，在步骤S3中，所述工艺参数包括：激光功率为200～450W，粉末层厚为40～60μm，扫描速率为800～1400mm/s，扫描间距为60～80μm。控制扫描间距内以控制粉末熔化成形的总能量输入，以使成形件致密。
工艺参数在上述范围选择，获得的成形件性能相对较稳定，在快速的激光熔化冷凝过程，能避免由于体积收缩造成的应力缺陷，减小裂纹和空隙，防止严重的试件断裂裂纹产生。
优选地，在步骤S3中，所述惰性气氛为氮气或者氩气。保证成形舱内氧含量不超过0.1％。
优选地，在步骤S3中，所述激光熔化加工的基板采用6061/6063铝合金板材，预设温度为60～100℃。
优选地，在步骤S4中，所述热处理的温度为250～400℃，时间为2～4h，升温速率为5～10℃/min。热处理改善打印成形组织的状态，释放应力，提升材料的综合力学性能。
优选地，在步骤S4中，所述表面处理包括表面清洗、表面打磨、表面喷砂；
表面清洗为超声波清洗，采用无水乙醇作为清洗介质，清洗时间在10～60min；表面打磨需要依次在#600、1000、2000、3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；表面喷砂采用刚玉砂为介质，粒度为0.5～1mm。
优选地，激光选区熔化成形设备选择雷尼绍AM400设备。
实施例1
本实施例提供一种耐热铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按原子的质量百分比称取原料，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末，其中主要粉末的D10为16μm，D50为30μm，D90为51μm，松装密度为1.2g/cm3；具体按以下质量百分比称取原料Mg：5.0wt％，Mn：2.5wt％，Sc：0.7wt％，Zr：0.5wt％，Ti：0.5wt％，Si：0.1wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
步骤二：使用SolidWorks三维建模软件构建所需要的目标结构零件模型，并将模型进行支撑导入，二维切片后，输入激光选区熔化成型设备。
步骤三：采用雷尼绍AM400设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料粉末充足，基板预热温度为80℃，向成形舱内通入氩气做为保护气体，保证氧含量小于0.1％。设定相关打印参数，激光功率为380W，粉末层厚为0.04μm，扫描速率为1600mm/s，扫描间距为0.09mm。
步骤四：将打印完成的耐热铝合金件取出，在电火花线切割机上进行线切割，然后在真空烧结炉中进行热处理，退火温度范围为320℃，保温时间为3h，升温速率为8℃/min，之后随炉冷却。采用无水乙醇进行成形件的清洗，并依次使用#600、1000、2000、3000的砂纸对其进行打磨，至表面平整光滑。
图1和2为实施例1中耐热铝合金件金相腐蚀前、后的显微组织图。由图可知，腐蚀前金相图可以观察成形后组织的孔隙缺陷，判断组织的致密情况，腐蚀后的金相图可以说明成形样件的组织情况是否正常。从图中可以观察到本实施例的耐热铝合金件组织致密。经过排水法测试发现其致密度达99.5％以上。
本实施例制备的耐热铝合金件室温抗拉强度574MPa，延伸率10％，200℃高温抗拉强度356MPa，延伸率15％。
实施例2
本实施例提供一种耐热铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按原子的质量百分比称取原料，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末，其中主要粉末的D10为16μm，D50为30μm，D90为51μm，松装密度为1.2g/cm3；具体按以下质量百分比称取原料Mg：10.0wt％，Mn：2.5wt％，Sc：0.7wt％，Zr：0.5wt％，Ti：0.5wt％，Si：0.1wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
步骤二：使用SolidWorks三维建模软件构建所需要的目标结构零件模型，并将模型进行支撑导入，二维切片后，输入激光选区熔化成型设备。
步骤三：采用雷尼绍AM400设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料粉末充足，基板预热温度为80℃，向成形舱内通入氩气做为保护气体，保证氧含量小于0.1％。设定相关打印参数，激光功率为380W，粉末层厚为0.04μm，扫描速率为1600mm/s，扫描间距为0.09mm。
步骤四：将打印完成的耐热铝合金件取出，在电火花线切割机上进行线切割，然后在真空烧结炉中进行热处理，退火温度范围为320℃，保温时间为3h，升温速率为8℃/min，之后随炉冷却。采用无水乙醇进行成形件的清洗，并依次使用#600、1000、2000、3000的砂纸对其进行打磨，至表面平整光滑。
本实施例制备的耐热铝合金件室温抗拉强度555MPa，延伸率0.1％，200℃高温抗拉强度301MPa，延伸率26％。
实施例3
本实施例提供一种耐热铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按原子的质量百分比称取原料，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末，其中主要粉末的D10为16μm，D50为30μm，D90为51μm，松装密度为1.2g/cm3；具体按以下质量百分比称取原料Mg：5.0wt％，Mn：4.0wt％，Sc：1.0wt％，Zr：0.7wt％，Ti：0.5wt％，Si：0.1wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
步骤二：使用SolidWorks三维建模软件构建所需要的目标结构零件模型，并将模型进行支撑导入，二维切片后，输入激光选区熔化成型设备。
步骤三：采用雷尼绍AM400设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料粉末充足，基板预热温度为80℃，向成形舱内通入氩气做为保护气体，保证氧含量小于0.1％。设定相关打印参数，激光功率为420W，粉末层厚为0.04μm，扫描速率为1200mm/s，扫描间距为0.06mm。
步骤四：将打印完成的耐热铝合金件取出，在电火花线切割机上进行线切割，然后在真空烧结炉中进行热处理，退火温度范围为320℃，保温时间为3h，升温速率为8℃/min，之后随炉冷却。采用无水乙醇进行成形件的清洗，并依次使用#600、1000、2000、3000的砂纸对其进行打磨，至表面平整光滑。
本实施例制备的耐热铝合金件室温抗拉强度610MPa，延伸率10％，200℃高温抗拉强度360MPa，延伸率13.6％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种耐热铝合金件，其特征在于，所述铝合金件包括以下质量百分比的组分：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量。
2.一种如权利要求1所述耐热铝合金件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按质量百分比称取原料：Mg：3.0～6.0wt％，Mn：1.5～5.5wt％，Sc：0.5～1.5wt％，Zr：0.2～0.7wt％，Ti：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.5wt％，Fe≤0.25wt％，C≤0.1wt％，H≤0.015wt％，O≤0.15wt％，N≤0.05wt％，Al：余量，通过电磁感应熔炼及气雾化技术获得成分均匀的金属粉末；
S2：通过三维建模软件构建目标铝合金件模型，并将模型进行支撑导入、二维切片后，输入激光选区熔化成型设备中；
S3：将所述金属粉末装入粉末舱，设置工艺参数，在惰性气氛下进行激光熔化加工，获得毛坯件；
S4：对所述毛坯件进行线切割、热处理和表面处理，得到耐热铝合金件。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，金属粉末的粒度范围在15～53μm，包括粒度分布D10：12～20μm、D50：27～35μm、D90：48～60μm。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，金属粉末的松装密度为1.1～1.5g/cm3。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，二维切片的切片厚度为0.03～0.06mm。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述工艺参数包括：激光功率为200～450W，粉末层厚为40～60μm，扫描速率为800～1400mm/s，扫描间距为60～80μm。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述惰性气氛为氮气或者氩气。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述激光熔化加工的基板采用6061/6063牌号的铝合金板材，预设温度为60～100℃。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述热处理的温度为250～400℃，时间为2～4h，升温速率为5～10℃/min。
10.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述表面处理包括表面清洗、表面打磨、表面喷砂；
表面清洗为超声波清洗，采用无水乙醇作为清洗介质，清洗时间在10～60min；表面打磨需要依次在#600、1000、2000、3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；表面喷砂采用刚玉砂为介质，粒度为0.5～1mm。
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