CN115896565A - 一种3d打印高强铝合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种3D打印高强铝合金粉末及其制备方法，铝合金粉末包括Al、Si、Mg、Ti、Fe、Cu、Zn、Zr，质量百分比为：Si含量为0.4％‑8％、Mg含量为1％‑2.1％、Ti含量为0.2％‑0.5％、Fe含量为0％‑1％、Cu含量为0.5％‑1.2％、Zn含量为3％‑5.1％、Zr含量为0％‑0.5％，余量为Al。本发明通过优化粉末成分、减少增强相的成分，以减少3D打印高强铝合金裂纹；将铝合金粉末与钇稳定氧化锆粉末采用等离子球化技术混合，钇稳定氧化锆可以细化晶粒，起到了既进一步减少裂纹，又在一定程度上弥补粉末成分优化所带来的强度降低，同时等离子球化技术可以提高粉末的球形度，进一步增强粉末的打印性能。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种3D打印高强铝合金粉末及其制备方法。
背景技术
由于3D打印技术具有无需模具、结构设计自由、生产流程快、精度高、可制造复杂零件等特点，而在近些年获得了广泛关注。高强铝合金是指以Zn、Mg为主要合金元素的铝合金，该类合金的强度可达600MPa以上，是重要的航空材料。当前铝合金产品的轻量化依然是航空领域关注的重点，然而，铝合金3D打印的相关研究却不多，目前的研究多集中在Al-Si系铸造铝合金。主要的原因在于，铝合金3D打印产品极易产生裂纹，产品强度不高，这限制了铝合金3D打印技术的发展。作为3D打印的原材料，金属粉末的质量好坏直接决定了3D打印产品的质量，这种决定关系要求必须制备优质的合金粉末，才有望解决当前铝合金3D打印产品存在的系列问题。
合理的成分设计被认为有利于提高铝合金的3D打印成形性能，添加陶瓷相以改善金属的强硬度也是近年来的研究热点。然而，陶瓷材料韧性不足，因此加入稳定剂以改善陶瓷韧性的方法引起人们的注意。
金属-陶瓷复合的方式多为机械合金化法，该方法很容易破坏粉体的球形度，造成粉末流动性变差，导致后续3D打印难以进行。
因此，设计3D打印用铝合金粉末成分，并采用合适的工艺进行制备，显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种3D打印高强铝合金粉末及其制备方法。以消除高强铝合金3D打印产品的裂纹，提高铝合金激光增材制造零件的强硬度，满足对3D打印高强铝合金的要求。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种3D打印高强铝合金粉末，包括Al、Si、Mg、Ti、Fe、Cu、Zn、Zr，质量百分比为：Si含量为0.4％-8％、Mg含量为1％-2.1％、Ti含量为0.2％-0.5％、Fe含量为0％-1％、Cu含量为0.5％-1.2％、Zn含量为3％-5.1％、Zr含量为0％-0.5％，余量为Al。
优选地，Si含量为2％-6％、Mg含量为1％-1.5％、Ti含量为0.3％-0.5％、Fe含量为0％-0.6％、Cu含量为0.5％-1％、Zn含量为3％-4％、Zr含量为0％-0.2％、余量为Al。
优选地，Si含量为5％、Mg含量为1.5％、Ti含量为0.5％、Fe含量为0.6％、Cu含量为1％、Zn含量为4％、Zr含量为0.2％、余量为Al。
一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，用于制备一种3D打印高强铝合金粉末，包括步骤如下：
步骤(一)按照一种3D打印高强铝合金粉末成分进行配料，并进行预处理；
步骤(二)将配好的母材放入熔炼炉中进行真空感应气雾化制备铝合金粉末；
步骤(三)雾化铝合金粉末完全冷却后，收集铝合金粉末并过筛，对过筛后的铝合金粉末进行分析以及性能测试，得到满足要求的铝合金粉末；
步骤(四)将铝合金粉末与钇稳定氧化锆粉末混合，并采用射频等离子球化对两种粉末进行进一步球化处理和混合；
步骤(五)用球化后的混合粉末进行激光增材制造试样产品；
步骤(六)将步骤(五)制造的试样产品在拉伸试验机上进行力学拉伸试验，测试试样产品的抗拉强度和延伸率。
优选地，步骤(一)中预处理过程为：先用100目砂纸对原料进行打磨，随后用酒精清洗，再用吹风机吹干，最后称量。
优选地，步骤(二)中进行真空感应气雾化的工艺参数为：熔炼炉抽真空至10-3Pa，雾化压力为4MPa-6MPa，熔炼功率为20kW-40kW。
优选地，步骤(三)中过筛获得粒度分布为15μm-53μm的铝合金粉末；并进行成分分析、微观组织分析，流动性性能测试、松装密度性能测试。
优选地，步骤(四)中钇稳定氧化锆粉末粒度为10nm-100nm，钇稳定氧化锆粉末含量为0.1％-1.5％，钇稳定氧化锆粉末中的钇含量为5％-10％。
优选地，步骤(四)中射频等离子球化的工艺参数：送粉速率为4g/min-8g/min，载气流量为2slpm-6slpm，鞘气流量为15slpm，功率为15kW。
优选地，步骤(五)中激光增材制造具体过程为：
步骤(A)将步骤(四)中混合后的铝合金粉末倒入3D打印机中，抽真空至真空度达到10-3Pa；
步骤(B)通入Ar作为保护气体，开启预热，温度到达70℃后开始进行铝合金SLM打印成形；
步骤(C)打印参数：激光功率为200W-500W，厚度为50μm，预热温度为100℃-150℃。
本发明的有益效果是：
本发明通过优化粉末成分、减少增强相的成分，以减少3D打印高强铝合金裂纹；将铝合金粉末与钇稳定氧化锆粉末采用等离子球化技术混合，钇稳定氧化锆可以细化晶粒，起到了既进一步减少裂纹，又在一定程度上弥补粉末成分优化所带来的强度降低，同时等离子球化技术可以提高粉末的球形度，进一步增强粉末的打印性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明的铝合金粉末制备流程图；
图2为本发明制备后的铝合金粉末形貌图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。，
一种3D打印高强铝合金粉末，包括Al、Si、Mg、Ti、Fe、Cu、Zn、Zr，质量百分比为：Si含量为0.4％-8％、Mg含量为1％-2.1％、Ti含量为0.2％-0.5％、Fe含量为0％-1％、Cu含量为0.5％-1.2％、Zn含量为3％-5.1％、Zr含量为0％-0.5％，余量为Al。
考虑到高强铝合金易产生裂纹，要减少强化相的含量，因此进一步优化成分：Si含量为2％-6％、Mg含量为1％-1.5％、Ti含量为0.3％-0.5％、Fe含量为0％-0.6％、Cu含量为0.5％-1％、Zn含量为3％-4％、Zr含量为0％-0.2％、余量为Al。
更进一步地，Si含量为5％、Mg含量为1.5％、Ti含量为0.5％、Fe含量为0.6％、Cu含量为1％、Zn含量为4％、Zr含量为0.2％、余量为Al。
如图1所示，一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，用于制备上述的一种3D打印高强铝合金粉末，包括步骤如下：
步骤(一)配料：
按照上述的一种3D打印高强铝合金粉末成分进行配料，首先对料锭进行预处理，具体步骤如下：先用100目砂纸对原料进行打磨，随后用酒精清洗，再用吹风机吹干，最后称量。
步骤(二)真空感应气雾化制备铝合金粉末：
将配好的母材放入熔炼炉中抽真空至10-3Pa，按照雾化压力为4MPa-6MPa、熔炼功率为20kW-40kW的工艺参数，进行真空感应气雾化制粉。
步骤(三)铝合金粉末后处理：
雾化粉末完全冷却后，收集粉末，随后将粉末过筛，获得粒度分布为15μm-53μm的粉末。对筛分好的粉末进行成分分析、微观组织分析及粉末的性能测试(包括流动性、松装密度等)，最终得到满足要求的粉末，如图2所示。
步骤(四)将铝合金粉末与钇稳定氧化锆粉末混合：
选取粒度为10nm-100nm、含量为0.1％-1.5％的钇稳定氧化锆粉末，其中，钇稳定氧化锆粉末中的钇含量为5％-10％。采用射频等离子球化将钇稳定氧化锆粉末与铝合金粉末进行进一步球化处理和混合。射频等离子球化的工艺参数：送粉速率为4g/min-8g/min，载气流量为2slpm-6slpm，鞘气流量为15slpm，功率为15kW。
步骤(五)用球化后的混合粉末进行激光增材制造试样产品：
将步骤(四)中混合后的铝合金粉末倒入3D打印机的送粉缸中，抽真空至真空度达到10-3Pa；通入Ar作为保护气体，开启预热，温度到达70℃后开始进行铝合金SLM打印成形；激光功率为200W-500W，厚度为50μm，预热温度为100℃-150℃。
步骤(六)性能评估：
将步骤(五)制造的试样产品在拉伸试验机上进行力学拉伸试验，测试试样产品的抗拉强度和延伸率。测得抗拉强度达到500MPa以上，延伸率达8％以上。有效解决了当前3D打印高强铝合金易产生裂纹的难题，提高了3D打印高强铝合金的性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种3D打印高强铝合金粉末，其特征在于：包括Al、Si、Mg、Ti、Fe、Cu、Zn、Zr，质量百分比为：Si含量为0.4％-8％、Mg含量为1％-2.1％、Ti含量为0.2％-0.5％、Fe含量为0％-1％、Cu含量为0.5％-1.2％、Zn含量为3％-5.1％、Zr含量为0％-0.5％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印高强铝合金粉末，其特征在于：Si含量为2％-6％、Mg含量为1％-1.5％、Ti含量为0.3％-0.5％、Fe含量为0％-0.6％、Cu含量为0.5％-1％、Zn含量为3％-4％、Zr含量为0％-0.2％、余量为Al。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印高强铝合金粉末，其特征在于：Si含量为5％、Mg含量为1.5％、Ti含量为0.5％、Fe含量为0.6％、Cu含量为1％、Zn含量为4％、Zr含量为0.2％、余量为Al。
4.一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1至3中任一项所述的一种3D打印高强铝合金粉末，包括步骤如下：
步骤(一)按照权利要求1至3中任一项所述的一种3D打印高强铝合金粉末成分进行配料，并进行预处理；
步骤(二)将配好的母材放入熔炼炉中进行真空感应气雾化制备铝合金粉末；
步骤(三)雾化铝合金粉末完全冷却后，收集铝合金粉末并过筛，对过筛后的铝合金粉末进行分析以及性能测试，得到满足要求的铝合金粉末；
步骤(四)将铝合金粉末与钇稳定氧化锆粉末混合，并采用射频等离子球化对两种粉末进行进一步球化处理和混合；
步骤(五)用球化后的混合粉末进行激光增材制造试样产品；
步骤(六)将步骤(五)制造的试样产品在拉伸试验机上进行力学拉伸试验，测试试样产品的抗拉强度和延伸率。
5.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(一)中预处理过程为：先用100目砂纸对原料进行打磨，随后用酒精清洗，再用吹风机吹干，最后称量。
6.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(二)中进行真空感应气雾化的工艺参数为：熔炼炉抽真空至10-3Pa，雾化压力为4MPa-6MPa，熔炼功率为20kW-40kW。
7.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(三)中过筛获得粒度分布为15μm-53μm的铝合金粉末；并进行成分分析、微观组织分析，流动性性能测试、松装密度性能测试。
8.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(四)中钇稳定氧化锆粉末粒度为10nm-100nm，钇稳定氧化锆粉末含量为0.1％-1.5％，钇稳定氧化锆粉末中的钇含量为5％-10％。
9.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(四)中射频等离子球化的工艺参数：送粉速率为4g/min-8g/min，载气流量为2slpm-6slpm，鞘气流量为15slpm，功率为15kW。
10.根据权利要求4所述的一种3D打印高强铝合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(五)中激光增材制造具体过程为：
步骤(A)将步骤(四)中混合后的铝合金粉末倒入3D打印机中，抽真空至真空度达到10- 3Pa；
步骤(B)通入Ar作为保护气体，开启预热，温度到达70℃后开始进行铝合金SLM打印成形；
步骤(C)打印参数：激光功率为200W-500W，厚度为50μm，预热温度为100℃-150℃。
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