CN117265350A - 一种航空发动机专用3d打印铝合金粉末、制备方法、其应用和3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末、制备方法、其应用和3D打印方法，3D打印合金粉末包含Cu、Mg、Ag、Mn、Zr、Ti、Si，其中，按照质量百分比计，Cu为6%~6.5%、Mg为0.6%~0.8%、Ag为0.15%~0.3%、Mn为0.3%~0.5%、Zr为0.05%~0.15%、Ti为0.1%~0.2%、Si为0.1%~0.2%、余量为Al和不可避免的杂质。本发明的航空发动机专用3D打印铝合金粉末制备出的铝合金成形件，致密度高、表面质量好、室温和高温力学性能优良，生产成本低。

Description

一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末、制备方法、其应用和 3D打印方法

技术领域

本发明属于金属材料合金化技术领域，具体涉及到一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末、制备方法、其应用和3D打印方法。

背景技术

Al-Cu-Mg-Ag合金是在２系（Al-Cu）变形耐热铝合金基础上发展起来的一种新型耐热铝合金，因其比强度高、韧性好、耐热性能好、耐腐蚀性能好而在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。合金中Mg原子团簇和Mg-Ag原子共聚团簇会逐步演变而析出Ω相，Ω相具有良好热稳定性，可以在高温下长期存在而几乎不发生聚集长大和粗化，因此Al-Cu-Mg-Ag合金具有优异的耐高温性能。

激光粉末床熔融技术具有设计自由度高，材料利用率高，成本低，具冷却速率较高等优点，在激光快速凝固过程中可能发生组织细化、固溶硬化和形成亚稳相等非平衡冶金现象，有利于提高激光加工材料的性能。Al-Cu-Mg-Ag合金以其低密度、高强度和疲劳强度等优点被广泛认为是一种有价值的结构材料，广泛应用于航空航天和汽车工业。

近年来轻质合金的需求与日俱增，激光粉末床熔融技术是制造2系铝合金零件的一种很有前途的技术，显著节约了成本和时间，彻底改变了传统的制造工艺。但其冶金缺陷严重限制了其应用，由于较高的凝固速率和相应的循环热负荷逐层重复沉积，产生了更多缺陷。此外，Al具有高激光反射率、高热导率、高氧亲和性等固有特性，导致铝合金开裂等。对于航空航天领域的应用，铝合金材料的高温力学性能也是个亟待解决的问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的其中一个目的是提供一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末，。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末，包含Cu、Mg、Ag、Mn、Zr、Ti、Si，其中，按照质量百分比计，Cu为6%~6.5%、Mg为0.6%~0.8%、Ag为0.15%~0.3%、Mn为0.3%~0.5%、Zr为0.05%~0.15%、Ti为0.1%~0.2%、Si为0.1%~0.2%、余量为Al和不可避免的杂质。

作为本发明航空发动机专用3D打印铝合金粉末的一种优选方案，其中： Mg和Ag的质量百分比应满足Mg/Ag≤5；

Mg和Cu的质量百分比应满足Cu/Mg≥6；

Mg和Si的质量百分比应满足Mg/Si>2。

作为本发明航空发动机专用3D打印铝合金粉末的一种优选方案，其中：按照质量百分比计，Cu为6%、Mg为0.8%、Ag为0.2%、Mn为0.3%、Zr为0.05%、Ti为0.15%、Si为0.1%、余量为Al和不可避免的杂质。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法，包括，

根据上述所述的质量百分比，称取各组分，配制原料，采用真空熔炼法对其进行熔炼，制得合金熔液；

将所述合金熔液均匀加入气体雾化室内进行气雾化处理，制得合金粉末。

作为本发明航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述进行熔炼，真空度为4~6×10^-3Pa，熔炼温度为750~850℃。

作为本发明航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述进行气雾化处理，雾化压力为5~6 MPa。

作为本发明航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述进行气雾化处理，于氩气氛围下进行，氩气的纯度为99.99%。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末在3D打印中的应用。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印方法，包括，

将上述所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末进行筛分、干燥处理；经过所述干燥处理后进行3D打印；

所述进行筛分，筛分后航空发动机专用3D打印铝合金粉末的粒径为50~95μm；

其中，所述3D打印为激光粉末床熔融。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的3D打印方法得到的合金，包含Cu、Mg、Ag、Mn、Zr、Ti、Si，其中，按照质量百分比计，Cu为6%~6.5%、Mg为0.6%~0.8%、Ag为0.15%~0.3%、Mn为0.3%~0.5%、Zr为0.05%~0.15%、Ti为0.1%~0.2%、Si为0.1%~0.2%、余量为Al和不可避免的杂质；

其中，Mg和Ag的质量百分比应满足Mg/Ag≤5；Mg和Cu的质量百分比应满足Cu/Mg≥6；Mg和Si的质量百分比应满足Mg/Si>2。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过合理设计各合金元素之间的比例，结合真空熔炼法和气雾化制粉技术，制备出航空发动机专用3D打印铝合金粉末，球形度高、流动性好、纯度高、氧含量低，且成本低，环境污染小。利用本发明的航空发动机专用3D打印铝合金粉末经激光3D打印出的成形件致密度高、冶金缺陷低、力学性能优良，具有晶界强化、沉淀强化等多种强化机制，且高温稳定性良好，显著降低了现有3D打印铝合金的热裂性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例1中制备得到的航空发动机专用3D打印铝合金粉末形貌；

图2为本发明实施例2中制备得到的3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金的光镜照片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

如无特别说明，实施例中所采用的原料均为商业购买。

实施例1

（1）配制金属粉末：以重量百分比计，由以下组分构成：Cu为6%，Mg为0.8%，Ag为0.2%，Mn为0.3%，Zr为0.05%，Ti为0.15%，Si为0.1%，余量为Al和不可避免的杂质；

(2)真空熔炼：将所配制的金属块体置入真空感应炉中进行真空熔炼，熔炼温度为800℃，熔炼炉内气压为0.5MPa；

(3)雾化制粉：经过所述真空熔炼后，采用氩气作为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为5MPa；得到航空发动机专用3D打印铝合金粉末。

本实施例1制备得到的航空发动机专用3D打印铝合金粉末形貌如图1所示。由图1可以看出所得的粉末球形度较好，卫星粉较少。

实施例2

（1）对实施例1制备得到的航空发动机专用3D打印铝合金粉末进行过筛分级，选取粒度范围为50~95μm的合金粉末；

（2）将所筛分后的金属粉末在120℃干燥10小时。

（3）将干燥后的金属粉末进行激光粉末床熔融（L-PBF），基板预热温度100℃，打印参数为：激光功率400W，扫描速度600mm/s，扫描间距0.15mm，层厚0.05mm；扫描策略为相邻层之间旋转角度为67°，得到Al-Cu-Mg-Ag合金试样。

3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金的光镜照片如图2所示，可以看出基本无裂纹，冶金缺陷少，样品致密度达到98.99%；室温抗拉强度410MPa，屈服强度310 MPa，延伸率4.1%；同时，合金试样在180℃屈服强度可达290 MPa，抗拉强度350MPa，延伸率6.8%；200℃屈服强度275MPa，抗拉强度330MPa，延伸率7.2%，远高于大部分现有3D打印铝合金的高温力学性能。

实施例3

本实施例3采用与实施例1相同的制粉方法制备3D打印专用Al-Cu-Mg-Ag合金粉末，区别在于金属粉末原料的配比不同，以重量百分比计，包括以下组分：Cu为6.2%，Mg为0.7 %，Ag为0.2%，Mn为0.4%，Zr为0.1%，Ti为0.1%，Si为0.1%，余量为Al和不可避免的杂质；

采用与实施例2相同的3D打印方法得到Al-Cu-Mg-Ag合金试样。

本实施例3制备得到的3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金致密度为98.78%，抗拉强度410MPa，屈服强度300 MPa，延伸率5.1%。同时，合金试样在180℃屈服强度可达285 MPa，抗拉强度361MPa，延伸率7.1%；200℃屈服强度268MPa，抗拉强度343MPa，延伸率7.5%。

实施例4

本实施例4采用与实施例1相同的制粉方法制备3D打印专用Al-Cu-Mg-Ag合金粉末，区别在于金属粉末原料的配比不同，以重量百分比计，包括以下组分：Cu为6.5%，Mg为0.65%，Ag为0.25%，Mn为0.45%，Zr为0.1%，Ti为0.15%，Si为0.1%，余量为Al和不可避免的杂质；

采用与实施例2相同的3D打印方法得到Al-Cu-Mg-Ag合金试样。

本实施例4制备得到的3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金致密度为98.78%，抗拉强度400MPa，屈服强度290 MPa，延伸率4.5%。同时，合金试样在180℃屈服强度可达271 MPa，抗拉强度358MPa，延伸率7.3%；200℃屈服强度261MPa，抗拉强度346MPa，延伸率7.8%。

对比实施例2、3、4，实施例2制备得到的3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金致密度最高，为98.99%，且室温拉伸性能优于实施例3、4；同时，合金试样在180℃屈服强度远高于实施例3、4；200℃屈服强度也远高于实施例3、4，抗拉强度和延伸率有轻微损耗。因此，实施例2综合性能最优。

对比例1

本对比例1采用与实施例1相同的制粉方法制备3D打印专用Al-Cu-Mg-Ag合金粉末，区别在于金属粉末原料的配比不同，以重量百分比计，包括以下组分：Cu为6%，Mg为0.8%，Ag为0.15%，Mn为0.3%，Zr为0.05%，Ti为0.15%，Si为0.1%，余量为Al和不可避免的杂质；其中，Mg/Ag>5。

采用与实施例2相同的3D打印方法得到Al-Cu-Mg-Ag合金试样。

本对比例1制备得到的3D打印Al-Cu-Mg-Ag合金致密度为98.75%，抗拉强度380MPa，屈服强度270MPa，延伸率4.5%。同时，合金试样在180℃屈服强度可达265MPa，抗拉强度340MPa，延伸率7.1%；200℃屈服强度251MPa，抗拉强度321MPa，延伸率7.3%。

对比例2

对实施例1制备得到的航空发动机专用3D打印铝合金粉末进行过筛分级，选取粒度范围为50~95μm的合金粉末；

将所筛分后的金属粉末在120℃干燥10小时。

将干燥后的金属粉末进行激光粉末床熔融（L-PBF），基板预热温度100℃，区别在于打印参数不同：激光功率400W，扫描速度1200mm/s，扫描间距0.15mm，层厚0.05mm；扫描策略为相邻层之间旋转角度为67°，得到Al-Cu-Mg-Ag合金试样，熔合不良形成欠熔合裂纹，在相邻沉积层之间形成了分层缺陷。

本发明提供了一种3D打印专用Al-Cu-Mg-Ag合金粉末及其制备方法和应用，通过合理设计各合金元素之间的比例，制备出航空发动机专用3D打印铝合金粉末，球形度好，流动性强。

Cu元素会与铝合金固溶，提高机械性能、切削性。而且Cu是合金主要强化相Ω相和θ'相的化学成分元素，Cu含量的变化对合金的硬度和强度有重要影响。

Mg元素含量的增加可为合金中主要析出相Ω相提供更多的形核位置，使得合金基体中的析出相细小弥散、分布均匀。

在高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg 合金中添加微量Ag元素能够促进Ω相的析出，改变合金的时效析出序列，使合金在时效过程中析出细小弥散的Ω相，能够有效改善合金室温和高温力学性能，还能提高合金的高温抗蠕变性能。

Mn元素可以能改善合金的高温强度，且与合金中的杂质元素Fe生成Al₆(Mn,Fe)相，抑制对合金性能产生不利影响的针状脆性Al₇Cu₂Fe相的析出。Mn元素也能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。

Ti元素会和Al发生包晶反应形成Al₃Ti粒子，Al₃Ti粒子可以作为α-Al的异质形核质点，提高合金的形核数量，从而细化晶粒，但过多的Ti元素在合金凝固过程中会形成粗大的脆性Al₃Ti粒子，从而影响3D打印铝合金零部件的性能。

Zr元素在熔炼过程中会与Al反应形成初生Al₃Zr粒子，为四方结构，它能为合金的凝固提供形核核心，提高合金的强度、断裂韧度及抗应力腐蚀性能。但是Zr元素含量过高会导致形成的初生Al₃Zr粒子变得粗大，对合金产生不利影响。

Si元素的加入能提高Al-Cu-Mg合金的抗拉强度、高温强度、硬度，也能有效改善流动性。但结晶析出的硅容易形成硬点，降低切削性，因此需要控制它不能超过共晶点。

本发明中， Mg和Ag的质量百分比应满足Mg/Ag≤5，Mg的质量百分数应满足Cu/Mg≥6，Mg/Si>2。合理增加Mg和Ag含量能够细化晶内、晶界析出相，同时控制Si元素含量，抑制合金中大尺寸AlFeMnSi型化合物粒子析出。

本发明的Al-Cu-Mg-Ag合金粉末经激光3D打印后的零件中冶金缺陷少，致密度较高，无开裂，室温和高温条件下均具有较高的力学性能，各向异性低，克服了现有3D打印铝合金常见的热裂问题，足够满足工业应用，具有很好的市场应用前景和推广价值。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种航空发动机专用3D打印铝合金粉末，其特征在于：包含Cu、Mg、Ag、Mn、Zr、Ti、Si，其中，按照质量百分比计，Cu为6%~6.5%、Mg为0.6%~0.8%、Ag为0.15%~0.3%、Mn为0.3%~0.5%、Zr为0.05%~0.15%、Ti为0.1%~0.2%、Si为0.1%~0.2%、余量为Al和不可避免的杂质。

2. 如权利要求1所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末，其特征在于： Mg和Ag的质量百分比应满足Mg/Ag≤5；

Mg和Cu的质量百分比应满足Cu/Mg≥6；

Mg和Si的质量百分比应满足Mg/Si>2。

3.如权利要求1或2所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末，其特征在于：按照质量百分比计，Cu为6%、Mg为0.8%、Ag为0.2%、Mn为0.3%、Zr为0.05%、Ti为0.15%、Si为0.1%、余量为Al和不可避免的杂质。

4.如权利要求1~3中任一项所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法，其特征在于：包括，

根据权利要求1所述的质量百分比，称取各组分，配制原料，采用真空熔炼法对其进行熔炼，制得合金熔液；

将所述合金熔液均匀加入气体雾化室内进行气雾化处理，制得合金粉末。

5.如权利要求4所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法，其特征在于：所述进行熔炼，真空度为4~6×10^-3Pa，熔炼温度为750~850℃。

6. 如权利要求4或5所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法，其特征在于：所述进行气雾化处理，雾化压力为5~6 MPa。

7.如权利要求6所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末的制备方法，其特征在于：所述进行气雾化处理，于氩气氛围下进行，氩气的纯度为99.99%。

8.如权利要求1所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末在3D打印中的应用。

9.一种3D打印方法，其特征在于：包括，

将权利要求1所述的航空发动机专用3D打印铝合金粉末进行筛分、干燥处理；经过所述干燥处理后进行3D打印；

所述进行筛分，筛分后航空发动机专用3D打印铝合金粉末的粒径为50~95μm；

其中，所述3D打印为激光粉末床熔融。

10.如权利要求9所述的3D打印方法得到的合金。