CN117321233A - 3d打印用高强度铝合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印用Al‑Mg‑Zr‑Si系高强度铝合金，其特征在于：按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1。【关系式1】1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照计重量％由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)构成的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金及其制造方法。
背景技术
金属3D打印(3dimensional printing)是一种基于层压工程(additivemanufacturing)的加工方式，是可以利用计算机辅助设计(CAD，computer aided design)模型轻易地制造出现有制造技术难以实现的复杂形态产品的加工技术。
金属3D打印与传统的加工技术即铸造(casing)、锻造(forging)、焊接(welding)以及挤出(extruding)等相比具有可以缩短产品开发所需时间的优点。
因为如上所述的优点，在韩国注册专利第10-1754523号以及韩国注册专利第10-1145124号等多个先行专利中公开了利用金属3D打印技术制造金属产品的方法，而且在韩国激光加工学会会刊等的多个论文中也发表了相关技术。
但是，直至目前为止也很难确定可以同时确保充分的强度以及伸长率的Al-Mg系铝合金组成，而且根据所添加的元素的类型以及添加量，其生产性以及品质会发生显著的差异，因此很难适当地对其进行协调。
发明内容
为了解决如上所述的问题，本发明的目的在于提供一种按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)构成，从而确保其屈服强度以及生产性的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金及其制造方法。
为了达成所述目的，本发明的一实施例涉及一种3D打印用Al-Mg-X-Y系铝合金，其特征在于：作为Al-Mg-X-Y系铝合金，所述X通过与所述铝(Al)的反应而形成Al-X金属间化合物(Intermetallic compound)化合物，所述Y通过与所述镁(Mg)的反应而形成Mg-Y金属间化合物。
在所述一实施例中，所述X可以是从锆(Zr)、钛(Ti)、钪(Sc)、铪(Hf)以及钇(Y)中选择的任一种元素，所述Y可以是从硅(Si)、锡(Sn)、锌(Zn)以及锗(Ge)中选择的任一种元素。
在所述一实施例中，可以提供一种3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，其特征在于：按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
在所述一实施例中，3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
在所述一实施例中，所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金还可以包含0.01至0.2重量％的钙(Ca)。
在所述一实施例中，所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以以粉末或金属丝的形态提供。
在本发明的另一实施例中，本发明涉及一种通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，其特征在于：作为通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
在所述一实施例中，所述高强度铝合金产品的屈服强度可以是400至500MPa。
在所述一实施例中，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
在所述一实施例中，所述高强度铝合金产品的伸长率可以是7％以上。
在本发明的又一实施例中，本发明涉及一种利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的制造方法，其特征在于，包括：(a)准备按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1的Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝的步骤；以及，(b)通过利用所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末进行3D打印而制造产品的步骤。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
在所述一实施例中，所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝可以包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
在所述一实施例中，所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝还可以包含0.01至0.2重量％的钙(Ca)。
通过根据本发明的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的制造方法，通过将所述铝合金的组成按照重量％计限定为2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质，可以提供屈服强度为400MPa以上的3D打印用铝合金产品。
附图说明
图1是用于对根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的制造方法进行说明的顺序图。
图2是用于对在将激光输出固定为170W时根据硅含量的光束速度与最大拉伸强度的相关关系进行说明的图表。
具体实施方式
接下来，将对根据本发明的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金及其制造方法进行详细的说明。在下面的内容中介绍的附图，只是为了向相关从业人员充分地传递本发明的思想而提供的实例。因此，本发明并不限定于在下述内容中介绍的附图，而是还可以通过其他形态实现，而且在下述内容中介绍的附图可能会为了明确地说明本发明的思想而被夸张图示。此时，除非另有定义，否则所使用的技术术语以及科学术语的含义与具有本发明所属技术领域之一般知识的人员所通常理解的含义相同，在接下来的说明以及附图中，与可能会导致本发明的要旨变得不清晰的公知功能以及构成相关的说明将被省略。
通常来讲，在Al-Mg系铝合金中是通过对额外添加的元素的类型以及添加量进行调节而确保如强度以及伸长率等物理性质。在如上所述的过程中，很难同时确保适当的强度以及伸长率，而且根据所添加的元素的类型以及添加量，其生产性以及品质会发生显著的差异，因此很难适当地对其进行协调。
本发明的一实施例涉及一种3D打印用Al-Mg系高强度铝合金，较佳地涉及一种在Al-Mg系铝合金中包含两种以上的元素的Al-Mg-X-Y系铝合金。
在本说明书中，所述X以及所述Y是指Al-Mg系铝合金中所包含的元素。具体来讲，所述X是指在所述Al-Mg系铝合金中与铝(Al)形成金属间化合物(intermetalliccompound)的元素，所述Y是指在所述Al-Mg系铝合金中与镁(Mg)形成金属间化合物的元素。
在实施例中，所述Al-Mg-X-Y系铝合金可以通过将X或Y的组成设计成适当的范围而对机械特性进行控制。例如，当所述Al-Mg-X-Y系铝合金中的所述X的组成增加时，可以防止3D打印用Al-Mg的一般现象即高温龟裂(hot cracking)并提升强度。尤其是，在执行3D打印时通过因为吸收激光能量而发生的熔融以及急冷过程(106℃/秒)，所述X可以在所述Al-Mg-X-Y系铝合金中以过饱和的状态存在。
接下来，所述X可以在热处理过程中析出到内部，从而大幅提升所述Al-Mg-X-Y系铝合金的强度。但是，当所述Al-Mg-X-Y系铝合金中包含过量的所述X的情况下，一部分X可能会因为不饱和而以偏析的形态存在。而这可能会导致所述铝合金的伸长率的大幅减少以及脆性的增加。
*所述Y的特征在于，在所述Al-Mg-X-Y系铝合金中不与铝(Al)反应而是与镁(Mg)反应。具体来讲，所述Y可以通过与所述镁(Mg)形成金属间氧化物而在高速成形时防止高温龟裂(hot cracking)并借此提升3D打印产品的品质，而且可以提升所述Al-Mg-X-Y系铝合金的强度。所述Y与所述X一样，也可以通过析出到所述Al-Mg-X-Y系铝合金内部而大幅提升强度。此外，当所述Al-Mg-X-Y系铝合金中包含过量的所述Y的情况下，也会导致伸长率的减少以及脆性的增加。
在实施例中，所述X可以通过与所述铝(Al)反应而形成Al-X金属间化合物，所述Y可以通过与所述镁(Mg)反应而形成Mg-Y金属间化合物。此外，所述Al-Mg-X-Y系铝合金内的所述Al-X金属间化合物以及所述Mg-Y金属间化合物的分数以及合金的微细结构会根据3D打印工程条件(例如，激光功率、光束速度、激光束直径、激光束扫描模式(pattern)、3D打印工程时的打印底板(build plate)温度以及3D打印输出后的热处理条件)发生变化，而使用者可以借此对产品的物性、品质以及生产性进行控制。
在实施例中，所述X可以是从锆(Zr)、钛(Ti)、钪(Sc)、铪(Hf)以及钇(Y)中选择的任一种元素，所述Y可以是从硅(Si)、锡(Sn)、锌(Zn)以及锗(Ge)中选择的任一种元素，但是并不限定于此，也可以变更为所述铝(Al)或所述镁(Mg)反应的特定的成分。
接下来，将以所述X元素为锆(Zr)而所述Y元素为硅(Si)的情况为例进行说明。
借此，本发明可以提供3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金及其制造方法，向Al-Mg系铝合金添加硅(Si)以及锆(Zr)，其中将合金的组成按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，从而可以制造出屈服强度(Yield strength；YS)为400MPa以上的通过3D打印制造的铝合金产品。
此外，在本发明的另一实施例中，所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金还可以包含0.01至0.2重量％的钙(Ca)，从而可以在合金的制造过程中对镁(Mg)的氧化以及气化进行抑制并借此提升生产性。
一般的Al-Mg系铝合金可能会在制造过程中因为镁(Mg)的氧化而生成大量的如MgO、Al2O3以及Al2MgO4等氧化物，从而在金属内形成多种缺陷。
为了防止如上所述的问题，本发明可以向Al-Mg系铝合金，较佳地向Al-Mg-Zr-Si铝合金添加0.01至0.2重量％的钙(Ca)。所述钙(Ca)可以通过与所述铝合金中包含的镁(Mg)反应而形成(Mg,Ca)O2覆膜。借此，可以放置所述镁(Mg)的氧化。
此外，一般的Al-Mg系铝合金可能会在3D打印时因为激光束而发生熔融并因此形成熔融池(melt pool)，从而导致所述镁(Mg)一部分气化损失的现象。在如上所述的过程中，可能会发生一部分镁(Mg)气化并浮游在空气中的烟雾(fume)现象。在如上所述的情况下，所述烟雾(fume)可能会在3D打印机进行激光扫描时造成激光束的散射，从而对3D打印的生产性以及产品的品质造成不良影响。为了防止如上所述的问题，本发明可以通过包含所述钙(Ca)而提升镁(Mg)的起火温度。
即，可以借助于所述钙(Ca)提升镁(Mg)的起火温度，从而防止在熔融部位生成过度的烟雾(fume)，而且可以减少所述镁(Mg)在所述熔融池(Melt pool)中的气化损失。借此，可以提升生产性。
接下来，将对根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的组成范围进行详细的说明。在下述内容中除非另有明确的提及，否则单位为重量％。
在一实施例中，所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成。
镁(Mg)包含2至13重量％。
所述镁(Mg)可以起到决定所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的强度的作用。具体来讲，所述镁(Mg)可以在合金内析出所述硅(Si)以及Mg2Si相，从而实现析出强化(Precipitation strengthening)效果。因为如上所述的原因，为了确保所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的强度，所述镁(Mg)包含2重量％以上为宜。在所述镁(Mg)的含量不足2重量％的情况下，可能会导致无法确保足够的强度的问题。
与此相反，在所述镁(Mg)的含量超过13重量％的情况下，可能会因为在3D打印过程中生成过多的烟雾(fume)而导致难以输出或制造优质产品的问题。这是因为，在所述镁(Mg)的一部分气化时生成的烟雾(fume)可能会导致激光束发生散射。因为如上所述的原因，所述镁(Mg)的含量可以是2至13重量％，较佳地可以是5至10重量％，更较佳地可以是5至7重量％。
硅(Si)包含1至5重量％。
如上所述，所述硅(Si)可以通过与所述镁(Mg)反应而析出高硬度的Mg2Si相。这可以在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金中诱导析出强化(Precipitation strengthening)，从而大幅提升其强度。在所述硅(Si)的含量不足1重量％的情况下，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可能会在3D打印过程中高速成形时发生高温龟裂(Hotcracking)，从而导致3D打印输出产品的品质降低的问题。
在实施例中，为了确保所述铝合金的足够的强度，所述硅(Si)的含量可以为1重量％以上。但是，在所述硅的含量超过5重量％时，可能会因为Mg2Si相的分数过多而导致伸长率减少的问题。
此外，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金中的所述硅(Si)以及所述镁(Mg)可以满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金内的所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％比例不足1.5的情况下，可能会因为与所述硅(Si)相比的所述镁(Mg)的量不足而造成Mg2Si相的析出程度的减少，并因此导致强度提升效果微乎其微的问题。而且，在3D打印时硅的重量比例的减少会导致3D打印时所需要的能量的增加，从而对生产性造成重大的影响。关于因为硅(Si)而导致的生产性降低的问题，将在后续的内容中参阅图2进行更为详细的说明。
与此相反，在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金内的所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％比例超过8.5的情况下，可能会因为所述硅(Si)相对减少而导致无法充分析出Mg2Si相的问题。因为如上所述的原因，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金内的所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的比例可以是1.5至8.5，较佳地可以是1.5至7.0。
锆(Zr)包含0.5至1.5重量％。
所述锆(Zr)在一般的铝(Al)合金中可以为结晶粒的微细化做出贡献，从而在利用Al-Mg系铝合金进行3D打印时起到对高温龟裂(Hot cracking)进行抑制的作用。此外，所述锆(Zr)可以通过与所述铝(Al)反应而形成Al3Zr相。即，所述锆(Zr)可以在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金中通过结晶粒的微细化而提升伸长力，同时还可以通过析出Al3Zr相而强化其强度。为了实现如上所述的效果，所述锆(Zr)的添加量为0.5重量％以上为宜。
但是，在所述Zr超过1.5重量％的情况下，可能会因为所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的溶解温度上升而导致镁(Mg)气化损失的量增加的问题，而且一部分所述锆(Zr)可能会因为不饱和而以偏析的形态析出。这会导致所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的伸张率的大幅减少并以及脆性的增加，而且最终还可能会导致所述3D打印产品的品质的下降。因为如上所述的原因，所述锆(Zr)包含0.5至1.5重量％为宜。
钙(Ca)包含0.2重量％以下。
如上所述，所述钙(Ca)可以防止所述镁(Mg)的氧化，而且可以通过提升所述镁(Mg)的起火温度而对烟雾(fume)的生成进行抑制。
可以根据合金内的所述镁(Mg)的含量选择性地包含所述钙(Ca)。例如，在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金内的镁(Mg)的含量不足5重量％的情况下，因为所述镁(Mg)的氧化而对铝合金造成的影响微乎其微，因此可以不包含钙(Ca)。
但是，在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金内的镁(Mg)的含量超过5重量％的情况下，可能会因为所述镁(Mg)的氧化而对所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的强度以及生产性造成影响。在如上所述的情况下，所述钙(Ca)的含量可以根据所述镁(Mg)发生变化，较佳地所述镁(Mg)与所述钙(Ca)的重量比可以是1:0.8至1:1.2。
在所述镁(Mg)与所述钙(Ca)的重量比不足1:0.8的情况下，可能会因为与所述镁(Mg)相比的钙(Ca)的含量相对角度而发生所述镁(Mg)的氧化以及气化并因此导致生产性下降的问题，而在所述镁(Mg)与所述钙(Ca)的重量比超过1:1.2的情况下，可能会因为所述钙(Ca)在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金中成为杂质而导致所述铝合金的强度下降的问题。
因为如上所述的原因，在所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金中所述镁(Mg)与所述钙(Ca)的重量比为1:0.8至1:1.2为宜。
在实施例中，所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以是如碎片、粉末或金属丝等形状，但是并不限定于此。
在上述内容中，对根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的组成进行了说明。接下来，将对根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的制造方法进行说明。
图1是用于对根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的制造方法进行说明的顺序图。
参阅图1，根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的制造方法，可以包括：(a)准备按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1的Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝的步骤；以及，(b)通过利用所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末进行3D打印而制造产品的步骤。此时，所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝中的所述镁(Mg)以及所述(Si)的重量％可以满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
在所述步骤(a)中，可以使用如上所述组成的铝合金通过如雾化(gas atomizing)或挤出后拉伸(extrusion after drawing)等方法制造出铝合金粉末。
首先，通过对如上所述的组成的母体金属或母体合金的混合物进行熔解而制造出熔融金属，接下来利用所述熔融金属制造出铝合金铸块(ingot)。此时，为了所述熔解，可以使用真空或大气环境下的感应熔炉(induction melting furnace)或电阻炉(electricresistance furnace)等。
接下来，可以使用如雾化(gas atomizing)或挤出后拉伸(extrusion afterdrawing)等方法制造出铝合金粉末。因为在熔解以及制造粉末的过程中使用的是公知的方法，因此将省略具体的制造过程。
在所述步骤(b)中，可以通过利用在所述步骤(a)中生成的铝合金粉末进行3D打印而制造出所需要的产品。其中，3D打印可以是指利用激光对金属粉末进行熔融以及烧结的粉末烧结法(Powder Bed Fusion；PBF)。具体来讲，所述粉末烧结法(PBF)是指对在所述步骤中制造的铝合金粉末进行层压，接下来通过向层压的粉末照射能量激光束而使得铝合金粉末发生熔融结合并借此制造出产品的方法。
在实施例中，所述步骤(b)可以使用粉末烧结法(Powder Bed Fusion；PBF)，而且可以根据激光的类型、功率或激光束的直径以50至1,000μm的线间距(图案间距)以及10至100μm的厚度进行层压。此外，也可以适用于基于供应粉末或金属丝的直接能量沉积(DED，Direct Energy Deposition)方式的3D打印工程，也可以适用于其他一般的粘合剂喷射成形(Binder jet)3D金属打印工程。
此外，在通过本发明的一实施例制造的Al-Mg-Si系高强度铝合金产品中，按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
与所述关系式1相关的说明将进行省略。
在实施例中，按照如上所述的组成以及制造方法制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的屈服强度可以是400至500MPa，而且其伸长率可以是2.7％以上。
接下来，将参阅实施例对根据本发明的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金及其制造方法进行更为详细的说明。但是，下述实施例只是用于对本发明进行详细说明的参考性内容，本发明并不限定于此，而是还可以通过多种形态实现。
除非另有定义，否则所有技术术语以及科学术语的含义与本发明相关行业的从业人员所通常理解的含义相同。在对本申请进行说明的过程中使用的术语只是用于对特定的实施例进行记述，并不是为了对本发明做出限定。此外，除非另有明确的记载，否则本说明书中的添加物的单位可以是重量％。
甲.根据成分组成的屈服强度比较。
按照如下述表1所示的组成准备金属原料，并通过在对所述金属原料进行熔解之后再进行气体雾化(gas atomizing)而制造出Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金粉末。
将所制造的铝合金粉末通过粉末烧结法(PBF，Powder Bed Fusion)方式的3D打印进行输出。作为金属3D打印机，使用了DAEGUN TECH公司的dpert M135。通过利用所述金属3D打印机向所述铝合金粉末照射170W的激光而制作出以30μm的层厚度以及150μm的图案间距进行层压的铝合金试片。
【表1】
| Mg | Si | Zr | Ca | Mn | Fe | Al | |
| 实施例1 | 5 | 2 | 1.2 | - | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例2 | 7 | 2 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例3 | 7 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例4 | 9 | 3 | 1.2 | 0.09 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例5 | 10 | 2 | 1.2 | 0.1 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例6 | 10 | 3 | 1.2 | 0.1 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例7 | 13 | 2 | 1.2 | 0.13 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例1 | 7 | 2 | 0 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例2 | 10 | 0 | 0.6 | 0.1 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例3 | 5 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例4 | 15 | 1 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例5 | 7 | 2 | 0.3 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例6 | 7 | 0.5 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例7 | 7 | 7 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
在所述实施例1至实施例7以及比较例1至比较例7中，将所制造的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金加工成10㎜的标距以及4㎜的大小而制作出拉伸试片。
对所制造的试片的表面进行机械加工，并按照美国材料试验协会(ASTM)E8金属材料的伸长试验的标准试验方法(Standard Test Methods for Tension Testing ofMetallic Materials)在常温下实施了拉伸试验(tensile test)。所测定的屈服强度以及伸长率如下述表2所示。
【表2】
| 屈服强度(MPa) | 伸长率(％) | |
| 实施例1 | 460.3 | 12.3 |
| 实施例2 | 454 | 11 |
| 实施例3 | 476.9 | 7.8 |
| 实施例4 | 495.5 | 4.3 |
| 实施例5 | 423.4 | 8.6 |
| 实施例6 | 438.6 | 2.7 |
| 实施例7 | 429.6 | 5.3 |
| 比较例1 | 368.1 | 8 |
| 比较例2 | 309.2 | 17.6 |
| 比较例3 | 320 | 2.1 |
| 比较例4 | 310 | 1.1 |
| 比较例5 | 375 | 9.1 |
| 比较例6 | 381 | 12.3 |
| 比较例7 | 280 | 0.2 |
参阅所述表2，可以确认通过实施例1至实施例7制造的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金的屈服强度均达到了400MPa以上。
与此相反，不包含锆(Zr)的比较例1的屈服强度为368.1MPa而伸长率为8％，与在相同的组成下包含1.2重量％的锆的实施例2相比，可以确认屈服强度减少了85.9MPa且伸长率减少了3％。
这是因为如在上述内容中进行的说明，因为不包含锆(Zr)，因此无法达成结晶粒的微细化以及形成Al3Zr相的效果。因此，比较例1与实施例2相比其屈服强度以及伸长率都有所较少。
包含0重量％的硅(Si)的比较例2的屈服强度为309.2MPa而伸长率为17.6％，与所述硅(Si)之外的剩余的组成类似的实施例5以及实施例6相比，可以确认区服强度减少了114.2至129.4MPa。
这是因为所述比较例2不包含硅(Si)，因此不会形成Mg2Si相且Al3Zr相的分数会相对增加。即，虽然可以借助于所述Al3Zr相的增加而提升伸长率，但是因为没有形成Mg2Si相而导致了强度的减少。因此，可以确认所述比较例2与实施例5以及实施例6相比其屈服强度有所减少。
镁(Mg)与硅(Si)的重量比为1.25的比较例3以及镁(Mg)与硅(Si)的重量比为15的比较例4的区服强度为320MPa以及310MPa。与此相反，可以确认镁(Mg)与硅(Si)的重量比为1.5至8.5的实施例1至实施例7的屈服强度为400MPa以上。这是因为所述镁(Mg)以及硅(Si)的含量不适当，因此无法析出适量的Mg2Si相。具体来讲，在所述比较例3中，因为形成过多的所述Mg2Si相而导致其伸长率的大幅减少，而且出现了多个在屈服点之前发生断裂的试片。而在所述比较例4中，因为所述Mg2Si相不足而导致其屈服强度的减少。因为如上所述的原因，所包含的所述镁(Mg)以及硅(Si)的重量％满足下述关系式1的范围为宜。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
尤其是，在所述镁(Mg)以及硅(Si)的重量％满足所述关系式1的状态下，可以确认包含5至7重量％的所述镁(Mg)的实施例1以及实施例3的区服强度为460MPa以上且伸长率为7.8％以上。借此可以确认，在满足所述关系式1的范围内包含5至7重量％的所述镁(Mg)时，可以同时确保屈服强度以及伸长率。
此外，可以确认因为所述比较例4中包含过多的镁(Mg)，因此在制造过程中生成了过多的烟雾(fume)，而且在所述过程中因为激光的散射而导致了拉伸试片的品质的下降。因为如上所述的原因，所述镁(Mg)包含2至13重量％为宜，较佳地在满足所述关系式1的范围内包含5至7重量％为宜。
与此相反，包含0.3重量％的锆(Zr)的比较例5与在相同的组成下包含1.2重量％的锆的实施例2相比，可以确认屈服强度减少了79MPa。
这是因为如在上述内容中进行的说明，因为所述锆(Zr)的含量不足0.5重量％而导致通过Al3Zr相的强化程度微乎其微。因此，比较例5与实施例2相比其屈服强度有所较少。
可以确认包含0.5重量％的硅(Si)的比较例6以及包含7重量％的硅(Si)的比较例7的屈服强度分别为381MPa以及280MPa，与在相同的组成下包含2重量％的硅(Si)的实施例2以及包含4重量％的实施例3相比屈服强度有所减少。此外，可以确认比较例7的伸长率骤减至0.2％。
这是因为如在上述内容中进行的说明，因为比较例6的所述硅(Si)的含量不足1重量％，因此无法充分实现通过Mg2Si相的析出强化效果，而且因为比较例7的所述硅(Si)的含量超过5重量％，因此会因为Mg2Si相的分数过高而造成脆性的增加并因此导致伸长率的骤减。实际上可以确认，通过所述比较例7制造的拉伸试片会在达到屈服点之前断裂。
乙.根据成分组成的生产性比较。
图2是用于对在将激光输出固定为170W时根据硅含量的光束速度与最大拉伸强度的相关关系进行说明的图表。
通常来讲，当在3D打印中固定激光功率、图案间距(＝光束扫描间距，Hatchingspace)以及层压厚度的情况下，激光束速度与产品的输出速度将成正比。即，在固定如上所述的条件的情况下，光束速度的增加将代表产品的输出速度的增加。通过确认在如上所述的状态下维持适当的屈服强度的条件，可以对生产性进行比较。
因为如上所述的原因，追加制作了所述实施例1、2、3和比较例2以及组成如下述表3所示的铝合金试片(实施例8、实施例9以及比较例8)。
【表3】
| Mg | Si | Zr | Ca | Mn | Fe | Al | |
| 实施例1 | 5 | 2 | 1.2 | - | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例2 | 7 | 2 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例3 | 7 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例8 | 7 | 1.5 | 0.9 | 0.07 | - | - | 余量(bal.) |
| 实施例9 | 8 | 1 | 0.9 | 0.08 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例2 | 10 | 0 | 0.6 | 0.1 | - | - | 余量(bal.) |
| 比较例8 | 10 | 0 | 1.2 | 0.1 | - | - | 余量(bal.) |
接下来，以按照如所述表3所示的组成制造的铝合金试片为对象，在将激光功率固定为170W、将3D打印的层压厚度固定为30μm并将图案间距固定为150μm之后，将光束速度变更为200至450㎜/s时的最大拉伸强度(UTS)测定值记载于下述表4中，而对于一部分试片，将变更为200至600㎜/s时的最大拉伸强度(UTS)测定值记载于图2中。
【表4】
参阅图4，在添加5至7重量％的所述镁(Mg)以及1至5重量％的所述硅(Si)的实施例1至实施例3以及比较例8中，在光束速度为200至450mm/秒的范围内最大拉伸强度(UTS)维持450MPa以上，较佳地维持450至550MPa。
与此相反，可以确认在所述硅(Si)的含量不足1重量％的比较例2以及比较例8中，在光束速度为300㎜/s以上时最大拉伸强度(UTS)急剧下降至400MPa以下，而在光束速度为350㎜/s以上时无法形成试片。实际上，在不包含所述硅(Si)的试片中，在光束速度增加至350㎜/s以上时，因为高温龟裂(hot cracking)而无法进行3D打印。
即，可以确认在所述硅(Si)的含量不足1重量％的情况下，生产性的提升会受到限制。具体来讲，添加1至5重量％的所述硅(Si)的实施例1至实施例3以及实施例8中与所述硅(Si)的含量不足1重量％的比较例2以及比较例8相比，其生产性提升了大约2倍以上。
此外，可以确认在包含8重量％的所述镁(Mg)以及1重量％的所述硅(Si)的实施例9中，即使是在所述光束速度为200至450㎜/s的状态下，也可以通过3D打印制造出铝合金。但是，可以确认在所述实施例9中因为所述硅(Si)的含量相对低于所述镁(Mg)，因此在光束速度超过350㎜/s时，最大拉伸强度(UTS)急剧减少。这代表所述实施例9为了确保足够的强度而需要维持一定水准的光束速度，而这表明与所述实施例相比其生产性会有所减少。
参阅图2，可以确认在光束速度为350至450㎜/s的状态下，最大拉伸强度(UTS)会减少至400MPa以下，而在光束速度超过500㎜/s时，最大拉伸强度(UTS)会再次减少。实际上，可以确认通过实施例9制造的试片与添加2至4重量％的所述硅(Si)的实施例1至实施例3以及实施例8相比减少了大约0.6倍。
通过所述实施例9可以确认，为了维持所述利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的生产性，即在将激光功率固定为170W时，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式2为宜。
【关系式2】
1.5≤[Mg]/[Si]≤7.0
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
如上所述的根据本发明之实施例的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金可以按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成。
此外，为了制造利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％可以满足下述关系式1。
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
较佳地，为了使得所述利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品确保一定水准的生产性，即为了在光束速度为200至450mm/秒的范围内维持450MPa以上的最大拉伸强度(UTS)，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式2为宜。
【关系式2】
1.5≤[Mg]/[Si]≤7.0
(在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。)
最后，为了制造出在同时满足所述关系式1至关系式2的同时屈服强度为450MPa以上且伸长率为7％以上的铝合金产品，镁(Mg)的重量％为5至7重量％为宜。
在上述内容中通过特定的事项以及有限的实施例对本发明进行了说明，但这只是为了帮助更加完整地理解本发明而提供，本发明并不限定于所述实施例，具有本发明所属技术领域之一般知识的人员将可以通过下述记载进行多种修改以及变形。
因此，本发明的思想并不限定于所说明的实施例，所附的权利要求书以及与所述权利要求书均等或等价的变形都应该理解为包含在本发明之思想的范畴之内。
Claims (13)
1.一种3D打印用Al-Mg-X-Y系铝合金，其特征在于：
在Al-Mg-X-Y系铝合金中，
所述X通过与所述铝(Al)反应而形成Al-X金属间化合物，
所述Y通过与所述镁(Mg)反应而形成Mg-Y金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的3D打印用Al-Mg-X-Y系铝合金，其特征在于：
所述X为从锆(Zr)、钛(Ti)、钪(Sc)、铪(Hf)以及钇(Y)中选择的任一种元素，
所述Y为从硅(Si)、锡(Sn)、锌(Zn)以及锗(Ge)中选择的任一种元素。
3.一种3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，其特征在于：
按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，
所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1：
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。
4.根据权利要求3所述的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，其特征在于：
3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
5.根据权利要求3所述的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，其特征在于：
所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金还包含0.01至0.2重量％的钙(Ca)。
6.根据权利要求3所述的3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，其特征在于：
所述3D打印用Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金以粉末或金属丝的形态提供。
7.一种通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，其特征在于：
在通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品中，
所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金，按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，
所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1：
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。
8.根据权利要求7所述的通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，其特征在于：
所述高强度铝合金产品的屈服强度为400至500MPa。
9.根据权利要求7所述的通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，其特征在于：
所述Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
10.根据权利要求7所述的通过3D打印制造的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品，其特征在于：
所述高强度铝合金产品的伸长率为7％以上。
11.一种利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的制造方法，其特征在于，包括：
(a)准备按照重量％计由2至13的镁(Mg)、1至5的硅(Si)、0.5至1.5的锆(Zr)以及余量的铝(Al)和不可避免的杂质构成，所述镁(Mg)以及所述硅(Si)的重量％满足下述关系式1的Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝的步骤；以及，
(b)通过利用所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末进行3D打印而制造产品的步骤：
【关系式1】
1.5≤[Mg]/[Si]≤8.5
在所述关系式1中，[Mg]代表镁(Mg)的重量％，[Si]代表硅(Si)的重量％。
12.根据权利要求11所述的利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的制造方法，其特征在于：
所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝包含5至10重量％的所述镁(Mg)。
13.根据权利要求11所述的利用3D打印的Al-Mg-Zr-Si系高强度铝合金产品的制造方法，其特征在于：
所述Al-Mg-Zr-Si系铝合金粉末或铝合金金属丝还包含0.01至0.2重量％的钙(Ca)。
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