CN117187638A

CN117187638A - 一种增材制造用铝镁硅合金及其制备方法

Info

Publication number: CN117187638A
Application number: CN202311172891.4A
Authority: CN
Inventors: 朱浩文; 刘文才; 蒋志达; 吴国华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2023-09-12
Filing date: 2023-09-12
Publication date: 2023-12-08

Abstract

本发明提供了一种增材制造用铝镁硅合金及其制备方法，所述合金成分按质量百分数的配比为：Mg:3‑10wt.％、Si:1‑5wt.％、Mn:0.1‑2wt.％、Ti:0.01‑0.5wt.％、Zr:0.01‑0.5wt.％、Sr:0.01‑0.2wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。该合金通过铸锭熔炼、粉体制备、激光成型、时效处理等工艺制得，通过Ti、Zr的孕育作用与Sr的变质作用协同实现组织细化，在获得优异力学性能的同时展现出相对较低的成本优势，便于工业生产及推广。

Description

一种增材制造用铝镁硅合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，尤其是涉及一种增材制造用铝镁硅合金及其制备方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing,简称AM)又名3D打印，是一种与传统成型工艺完全不同的加工方式。AM将计算机辅助设计(CAD)与材料成型相结合，运用CAD软件解构出三维模型的二维图像，再层层堆垛累积成型构件。这种新兴的生产方式具有制造周期短、材料利用率高、产品精度高等优点，具有良好的应用前景。目前常用的增材制造技术有立体光固化技术(SLA)，选区激光熔化技术(SLM)，直接金属沉积技术(DMD)等，其中选区激光熔化技术以金属粉末作为原材料，以激光作为输入能量源，加工速度快，成型精确度高，复杂结构成型能力强，目前广泛运用于航空航天等领域。

铝合金是目前应用较为广泛的一种合金材料，具有密度低、比强度高、塑性好、耐腐蚀和导电导热性能优异等特点，在航空航天、交通运输、装备器械等领域拥有着不可替代的地位。SLM制备的铝合金组织分布均匀，细晶强化显著，配合其轻量化的优势，逐步运用于卫星支架、发动机舱体等重要航空航天机械结构件。然而，受限于打印器械的制造、合金粉末的生产、工艺流程的调控等问题，国内SLM生产的铝合金零部件应用范围较小，未能在大宗机械生产领域内实现普及。而进口的打印装备与金属粉末造就了相对较高的经济成本，使其难以取代传统意义上以低廉价格为主导的铝合金材料。

然而，增材制造技术的生产模式对于传统高强2xxx系、7xxx系铝合金并不适用，Al-Cu、Al-Zn合金因高固溶度带来的较大固液温度区间导致其在激光快冷快热的工艺特点下开裂严重，零部件成型性能极差。目前3D打印用铝合金粉末多为力学性能较低的近共晶铝硅合金，以共晶Si相较小的凝固温度区间和熔体优良的流动性改善SLM工艺下高过冷度带来的热裂倾向，如中国专利CN 107716918A所公开的一种AlSi10Mg合金粉末，虽然合金的成形性能较好，但机械性能偏低；而主流的高强AlMgScZr增材制造用合金粉末则因Sc较高的价格而丧失了铝合金一贯具有的成本优势，使其难以在工业生产中普及应用。

发明内容

为解决激光沉积成型传统高固溶高强变形铝镁硅合金热裂严重、而3D打印用高强铝镁硅合金价格高昂的问题，本发明的目的在于提出一种增材制造用铝镁硅合金及其制备方法，通过Ti、Zr的孕育作用与Sr的变质作用结合，替代Sc-Zr的细晶效果，实现组织细化，以降低激光增材制造高强铝镁硅合金生产成本，在获得优异力学性能的同时展现出相对较低的成本优势，便于工业生产及推广。

本发明的目的可通过以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种增材制造用铝镁硅合金，所述铝镁硅合金中各组分的重量百分比为：Mg:3-10wt.％、Si:1-5wt.％、Mn:0.1-2wt.％、Ti:0.01-0.5wt.％、Zr:0.01-0.5wt.％、Sr:0.01-0.2wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

作为本发明的一个实施方式，所述铝镁硅合金中各组分的重量百分比为：Mg:5-9wt.％、Si:2-5wt.％、Mn:0.5-1.5wt.％、Ti:0.1-0.4wt.％、Zr:0.1-0.4wt.％、Sr:0.01-0.03wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

在本发明的一些实施例中，所述铝镁硅合金中各组分的重量百分比为：Mg:5-9wt.％、Si:2-3wt.％、Mn:0.7-1.5wt.％、Ti:0.2-0.4wt.％、Zr:0.1-0.3wt.％、Sr:0.01-0.03wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

作为本发明的一个实施方式，铝镁硅合金中Mg与Si的重量比为1.72-10：1。

本发明中，Mg作为主要固溶强化元素，含量需相对较高，Mn的加入是为了对合金进行补充强化，通过添加Mn形成Mg、Mn双固溶强化，可在保证较优力学性能的同时可避免单一Mg元素含量过高，从而减小固液温度区间，降低热裂倾向；Si的加入是为了提升合金的塑韧性，避免其在打印过程中发生开裂，Mg与Si也可在后续的时效处理中形成Mg2Si析出相，因此Mg：Si应大于1.72：1；Ti、Zr作为细化晶粒元素，主要与Al形成初生L1₂-Al₃Zr和L1₂-Al₃Ti相，二者与基体共格，因而可作为α-Al的形核位点，但含量过高时形成的粗大Al₃Zr、Al₃Zr相将不再与α-Al共格，因此合金中Ti、Zr含量应不高于0.2％，考虑到一部分Ti、Zr在打印态时会固溶在基体中，并在热处理过程中才会析出，不影响结晶过程，因此设计Ti、Zr的含量不高于0.4％即可；Sr作为变质剂，仅需微量添加即可起到效果，含量应控制在0.01-0.03％。

第二方面，本发明提供一种增材制造用铝镁硅合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、合金熔炼：将铝、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比混合，熔炼后浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2、粉体制备：将S1所得铸锭重熔，经雾化，冷却凝固形成金属粉末，再筛分粉末，得到增材制造用铝镁硅合金粉末；

S3、激光成型：对S2所得铝镁硅合金粉末进行选区激光熔化成型，得到打印态合金；

S4、时效处理：将S3得到的打印态合金进行时效处理，得到增材制造用铝镁硅合金。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，所述铝为商业纯铝。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，所述熔炼的温度为750-780℃。所述配比满足铝镁硅合金中各组分的重量百分比。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，待合金完全熔化后，采用电磁搅拌器搅拌合金熔液至充分混合均匀，保温静置30-120min；所述搅拌时间为20-60min。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，雾化前，采用氧化铝导管将熔体(即合金熔液)从熔炼炉中导出。氧化铝熔点高，可用于传输熔融金属液，采用铝合金氧化物同时可避免引入其他金属元素。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述雾化的方法包括：采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，氮气纯度≥99.995％。雾化使熔体破碎形成细小液滴。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述雾化的压力为8-15MPa。雾化的压力低于8MPa时，雾化液滴因压力过低容易以袋式破碎为破碎模式，此时成型粉末易形成空心粉；雾化的压力高于15MPa，雾化液滴因压力过高易发生片式剥离破碎，此时粉末粒径过小，不适用于SLM打印。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述筛分的方法为旋风分离收粉。采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所制得的增材制造用铝镁硅合金粉末中，60％以上的粒径范围在20-60μm之间。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所制得的增材制造用铝镁硅合金粉末中，90％以上的粉末形状为球形或鸭梨形。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，选区激光熔化成型过程开始进行激光打印。选区激光成型过程在氩气气氛中进行，打印开始前先通入氩气，直至成型舱氧含量低于200ppm时，再开始激光加工。成型过程中使用高纯氩气气流定向吹拂，以避免金属蒸汽及氧化夹杂凝固回落。若加工过程中成型舱氧含量高于200ppm，应立即停止打印，重新通入氩气，直到环境氧含量达到要求后再进行打印。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的激光功率为280-420W、扫描速度为1000 -2400mm/s。激光功率与扫描速度共同决定线输入能量密度，激光功率低于280W或扫描速度高于2400mm/s时，输入能量不足以完全熔化金属粉末，容易出现未熔合孔洞；激光功率高于420W或扫描速度低于1000mm/s时，线输入能量密度过高，大量金属蒸汽逸散，易造成元素烧损和组织粗化，使得合金力学性能大幅下降。

在本发明的一些实施例中，所述选区激光熔化成型采用的激光功率为330-380W、扫描速度为1200 -1500mm/s。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的扫描间距0.13-0.18mm，层厚40-60μm、基板预热温度为120-150℃。

作为本发明的一个实施方式，步骤S4中，所述时效处理的温度为150-300℃，时间为1-24h。时效温度低于150℃时，合金时效硬化不明显，无法达到时效强化的目的；温度高于300℃时，晶粒因温度过高而长大，从而降低力学性能。

在本发明的一些实施例中，所述时效处理的温度为170-300℃，时间为1-10h。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明以铝镁硅系合金优良的力学性能为基础，借助Si的良好流动性提升铝镁硅合金的铸造性能，保证合金在SLM下具有良好的成型能力。同时利用Mg的固溶强化和Mg₂Si的析出强化使合金具备优良的机械性能。

(2)本发明中添加一定含量的Mn元素，通过Mn的辅助强化以适当降低单一Mg元素的添加比例，从而降低合金的固液温度区间，减小热裂敏感性。同时，Mg、Mn协同作用形成的Mg₅Al₈化合物均匀沉淀可改善抗蚀性、Al₆Mn化合物可阻碍再结晶晶粒生长，细化组织。

(3)本发明添加的Ti、Zr与Al形成的Al₃Ti、Al₃Zr与α-Al基体共格，可作为异质形核位点起到孕育作用，再以Sr的变质作用阻碍晶粒长大，促进晶粒细化。通过Ti、Zr、Sr元素联合作用取代了贵金属Sc，降低了激光增材制造高强铝镁硅合金的生产成本。

(4)本发明提出了一种适用于选区激光熔化技术的高强度低成本铝镁硅合金。相比于传统铝镁硅合金，选区激光熔化铝镁硅合金具有极细的晶粒组织，可实现各种复杂形状结构件及拓扑优化网络的近净成型生产，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例3中成型合金金相组织；

图2为实施例1中成型合金晶粒组织；

图3为对比例1中含有微裂纹的成型合金微观组织；

图4为对比例3中含有孔隙的成型合金金相图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例和对比例的测试方法同实施例1中的测试方法。

实施例1

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-7Mg-3Si-0.7Mn-0.2Ti-0.1Zr-0.03Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进750℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置90min，浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，使其破碎形成细小液滴，雾化压力为10MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-7Mg-3Si-0.7Mn-0.2Ti-0.1Zr-0.03Sr(wt.％)粉末，所得粉末90％以上为球形或鸭梨形，60％以上的粉末粒径在20-53μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率380W、扫描速度1500mm/s，扫描间距0.14mm，层厚50μm，基板预热温度120℃，得到打印态合金。

S4：时效处理：将S3得到的打印态合金进行时效处理，时效温度300℃，时间为1h。

用阿基米德法测量合金的密度ρ，与理论密度相比计算致密度。根据GB/T228.1-2021测量合金的室温拉伸性能。通过测试，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为98.2％，打印态的样件抗拉强度为443MPa，屈服强度349MPa，延伸率为11.4％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为481MPa，屈服强度为373MPa，延伸率为7.6％。该成型合金的晶粒组织如图2所示，可见其具有极细的晶粒组织。

实施例2

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-5Mg-2Si-1.5Mn-0.4Ti-0.3Zr-0.01Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进770℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置120min，浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，使其破碎形成细小液滴，雾化压力为15MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-5Mg-2Si-1.5Mn-0.4Ti-0.3Zr-0.01Sr(wt.％)粉末，所得粉末90％以上为球形或鸭梨形，60％以上的粉末粒径在20-60μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率350W、扫描速度1300mm/s，扫描间距0.17mm，层厚40μm，基板预热温度150℃，得到打印态合金。

S4：时效处理：将S3得到的打印态合金进行时效处理，时效温度200℃，时间为10h。

通过测试，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为97.1％，打印态的样件抗拉强度为437MPa，屈服强度384MPa，延伸率为12.8％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为451MPa，屈服强度为397MPa，延伸率为9.3％。

实施例3

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-9Mg-3Si-1.2Mn-0.2Ti-0.15Zr-0.01Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进780℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置100min，浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，使其破碎形成细小液滴，雾化压力为12MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-9Mg-3Si-1.2Mn-0.2Ti-0.15Zr-0.01Sr(wt.％)粉末，所得粉末95％以上为球形或鸭梨形，60％以上的粉末粒径在20-50μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率330W、扫描速度1200mm/s，扫描间距0.15mm，层厚40μm，基板预热温度140℃，得到打印态合金。

S4：时效处理：将S3得到的打印态合金进行时效处理，时效温度175℃，时间为2h。

通过测试，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为99.1％，打印态的样件抗拉强度为426MPa，屈服强度388MPa，延伸率为11.9％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为430MPa，屈服强度为401MPa，延伸率为10.1％。该成型合金的金相组织如图1所示。

对比例1

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-7Mg-3Si-0.7Mn(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试，本对比例合金成型性能一般，样品致密度为96.5％，但基体存在部分微裂纹，如图3所示。打印态的样件抗拉强度为347MPa，屈服强度266MPa，延伸率为7％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为352MPa，屈服强度为254MPa，延伸率为8.6％。

对比例2

本对比例所述合金成分及生产流程与实施例1基本相同，仅改变时效处理参数：时效温度450℃，时间12h。

通过测试，本对比例合金成型性能优异，样品致密度为99.6％，打印态的样件抗拉强度为439MPa，屈服强度385MPa，延伸率为11.1％；经过时效处理后，晶粒严重粗化，样件的抗拉强度为326MPa，屈服强度为288MPa，延伸率为13.6％。

对比例3

本对比例所述合金成分及生产流程与实施例2基本相同，仅改变部分增材制造工艺参数：激光功率为450W，扫描速度为2500mm/s。

通过测试，本对比例合金样品致密度为96.5％，由于功率较高和扫描速度过快，合金出现多处元素烧损及未熔合孔隙，如图4所示。打印态的样件抗拉强度为356MPa，屈服强度303MPa，延伸率为8.1％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为382MPa，屈服强度为314MPa，延伸率为7.8％。

对比例4

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-7Mg-3Si-0.7Mn-0.05Ti-0.05Zr-0.03Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试，本对比例合金样品致密度为97.4％。打印态的样件抗拉强度为409MPa，屈服强度322MPa，延伸率为12.4％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为440MPa，屈服强度为339MPa，延伸率为9.1％。

对比例5

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-3Mg-7Si-0.7Mn-0.2Ti-0.1Zr-0.03Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试，本对比例合金样品致密度为98.5％。打印态的样件抗拉强度为386MPa，屈服强度294MPa，延伸率为15.8％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为403MPa，屈服强度为310MPa，延伸率为12.1％。

对比例6

铝镁硅合金的化学组成及元素含量：Al-7Mg-3Si-0.1Mn-0.2Ti-0.1Zr-0.03Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试，本对比例合金样品致密度为97.7％。打印态的样件抗拉强度为411MPa，屈服强度374MPa，延伸率为12.7％；经过时效处理后，样件的抗拉强度为423MPa，屈服强度为392MPa，延伸率为10.3％。

综上，对比例1和实施例1，本发明添加的Ti、Zr可与Al形成的Al₃Ti、Al₃Zr与α-Al基体共格，可作为异质形核位点起到孕育作用，再以Sr的变质作用阻碍晶粒长大，促进晶粒细化；对比例4和实施例1，对比例4中Ti≤0.05％、Zr≤0.05％，含量太低，合金铸造过程中Ti、Zr基本都固溶到基体当中，难以形成初生Al₃Zr、Al₃Ti作为形核位点。热处理后能形成析出强化的Al₃Zr、Al₃Ti也十分有限；对比例5和实施例1，对比例5中Si含量远远高于Mg含量，合金主要成分为近共晶Al-Si合金，合金组织主要为初生α-Al和共晶Si组织，导致力学性能相对较低；对比例6和实施例1，对比例6中的Mn≤0.1％，固液相线温差不大，含量不高也使得其大部分都固溶在基体中，难以形成析出相，无法形成Al₆Mn化合物，因此无法细化组织。而本发明实施例1利用Mg、Mn双元素的固溶效果代替单一Mg元素的固溶强化，有Mn的复合作用就可在保证较优机械性能的同时减少单一Mg元素的含量，从而减小固液相线温度差，改善合金的抗热裂能力，相对较高的Mn含量也保证了其在时效处理后可产生析出相形成第二相强化。

对比例2和实施例1，对比例2的时效温度高于300℃，晶粒因温度过高而长大，从而降低力学性能；对比例3和实施例1，对比例3的激光功率高于420W，线输入能量密度过高，大量金属蒸汽逸散，易造成元素烧损和组织粗化，使得合金力学性能大幅下降。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种增材制造用铝镁硅合金，其特征在于，所述铝镁硅合金中各组分的重量百分比为：Mg:3-10wt.％、Si:1-5wt.％、Mn:0.1-2wt.％、Ti:0.01-0.5wt.％、Zr:0.01-0.5wt.％、Sr:0.01-0.2wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的增材制造用铝镁硅合金，其特征在于，所述铝镁硅合金中各组分的重量百分比为：Mg:5-9wt.％、Si:2-5wt.％、Mn:0.5-1.5wt.％、Ti:0.1-0.4wt.％、Zr:0.1-0.4wt.％、Sr:0.01-0.03wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

3.一种如权利要求1-2中任一项所述增材制造用铝镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述雾化的方法包括：采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，氮气纯度≥99.995％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述雾化的压力为8-15MPa。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述筛分的方法为旋风分离收粉。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述选区激光熔化成型中的成型舱氧含量低于200ppm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的激光功率为280-420W、扫描速度为1000-2400mm/s。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的扫描间距0.13-0.18mm，层厚40-60μm，基板温度120-180℃。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述时效处理的温度为150-300℃，时间为1-24h。