CN117483790A - 一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造和焊接的技术领域，具体涉及一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将铝合金粉末、TC4粉末和硼粉末进行双离心高速混合搅拌，制得消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉；将消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉加入到选择性激光熔化型设备的储粉缸中，设置选择性激光熔化成形设备的工作参数后进行选择性激光熔化得到铝合金成形件。通过在选择性激光熔化成形的过程中通过TC4粉末和硼粉末原位合成TiB2，相较于直接加入TiB2，原位生成复合材料增强相原位合成TiB2的颗粒细小且均匀分布于基体材料，可以更为明显的消除7075铝合金SLM裂纹与气孔，同时进一步提升了7075铝合金的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造和焊接的技术领域，具体涉及一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法。
背景技术
7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是典型的高强铝合金，具有比强度高、耐腐蚀性能良好等优点，在航空航天、国防军工等工业制造领域应用广泛。同时，近二十年来，增材制造技术在加工效率和产品质量等方面取得了长足进步，作为金属增材制造技术的最新发展，激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)具有制备周期短、材料利用率高、成形效率高、自由度大等优点。相比于传统加工成形方法，采用SLM技术快速成形小尺寸、三维形状等复杂的7075铝合金零件更具优势。
然而，即使在最优SLM工艺条件下成形的Al7075样件中仍存在大量的裂纹与气孔，且此类裂纹与气孔无法通过工艺参数优化的方式进行消除。裂纹将会严重削弱成形构件的承载能力及抗腐蚀能力，并在构件使用过程中造成应力集中从而成为断裂源；气孔会严重降低成形件的致密度，大大降低成形件的性能。同时，现有技术中，通过在7075铝合金原粉末加入形核剂可以消除裂纹与气孔，但是其成形的样品力学性能较低，因此如何在消除7075铝合金裂纹与气孔的同时，进一步提升力学性能是亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法。本发明中通过在选择性激光熔化成形的过程中原位合成TiB2，不仅可以改善7075铝合金裂纹与气孔，同时能够提升其力学性能。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气体保护下，将铝合金粉末、TC4粉末和硼粉末进行双离心高速混合搅拌，制得消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉；
(2)将步骤(1)中制备的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉加入到选择性激光熔化型设备的储粉缸中，设置选择性激光熔化成形设备的工作参数后进行选择性激光熔化得到铝合金成形件。
在一种或多种实施方式中，所述铝合金包括7075铝合金和2024铝合金，优选为7075铝合金。
优选的，所述7075铝合金的粒径为15～53μm。
在一种或多种实施方式中，所述TC4粉末的粒径为15～45μm。
在一种或多种实施方式中，所述硼粉末的粒径为450～600nm，优选为500nm。
在一种或多种实施方式中，所述TC4粉末与最终制备得到的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉的质量比为0.76～3.06％:1，优选为2.30％:1。
在一种或多种实施方式中，所述硼粉末与最终制备得到的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉的质量比为0.31～1.25％:1，优选为0.93％:1。
在一种或多种实施方式中，所述双离心高速混合的转速为700～900rpm，优选为850rpm。
在一种或多种实施方式中，所述双离心高速混合的时间为4～5min，优选为4.5min。
在一种或多种实施方式中，所述双离心高速混合的方法包括：双离心高速混合每次时间为1～2min，每次混合结束后冷却5～10min再进行下一次混合；优选的，双离心高速混合每次时间为1.5min，每次混合结束后冷却7min再进行下一次混合。
在一种或多种实施方式中，激光选区熔化技术的工艺参数为：激光功率180～200W，扫描速度300～800mm/s，铺粉厚度20～40μm，扫描间距80～120μm；
优选的，激光功率190W，扫描速度500mm/s，铺粉厚度30μm，扫描间距100μm。
本发明的有益效果在于：
本发明中通过在选择性激光熔化成形的过程中通过TC4粉末和硼粉末原位合成TiB2，相较于直接加入TiB2，原位生成复合材料增强相原位合成TiB2的颗粒细小且均匀分布于基体材料，可以更为明显的消除7075铝合金SLM裂纹与气孔，同时，TC4粉末与Al原位反应，生成亚稳相L12-Al3Ti，更能促进α-Al的非均匀形核，进一步细化晶粒抑制裂纹与提升力学性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为纯Al7075粉末与实施例1中制备的消除7075铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉的扫描电镜图片，其中a为纯Al7075粉末，b为实施例1中制备的消除7075铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉；
图2为SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图；其中a为对比例1中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，b为实施例1中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，c为对比例2中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，d为对比例3中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图；
图3为实施例1、对比例1和对比例3中制备的Al7075合金的室温拉伸应力-应变曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
选取平均粒径为31.47μm的Al7075粉末和粒径为15～45μm的TC4粉末与平均粒径为500nm的硼粉末，三者的质量比为96.8:2.3:0.9(原位合成含3.0wt.％TiB2的复合粉末)。对三种粉末进行双离心高速混合搅拌，其混合转速为850rpm，每次时间为1.5分钟，每次混合结束后冷却7分钟再进行下一次混合，总共混合的时间为4.5min。
图1中a为本实施例中纯Al7075粉末，b为加入TC4粉末与硼粉末双离心高速混合搅拌之后的扫描电镜图片。从图1中b图可以看出，双离心高速混合搅拌之后硼粉末会均匀的附着在Al7075和TC4粉末上。
利用Concept Laser Mlab 200R金属增材制造设备对本实施例中制备得到的复合粉进行SLM成形，工艺参数如下：激光功率190W，扫描速度500mm/s，层厚30μm，扫描间距100μm。
对比例1
直接利用Concept Laser Mlab 200R金属增材制造设备对平均粒径为31.47μm的Al7075粉末进行SLM成形，工艺参数如下：激光功率190W，扫描速度500mm/s，层厚30μm，扫描间距100μm。
对比例2
选取平均粒径为31.47μm的Al7075粉末和粒径为15～45μm的TC4粉末与平均粒径为500nm的硼粉末，三者的质量比为95.7：3.06:1.24(原位合成含4.0wt.％TiB2的复合粉末)。对三种粉末进行双离心高速混合搅拌，其混合转速为850rpm，每次时间为1.5分钟，每次混合结束后冷却7分钟再进行下一次混合，总共混合的时间为4.5min。
利用Concept Laser Mlab 200R金属增材制造设备对本对比例中制备得到的复合粉进行SLM成形，工艺参数如下：激光功率190W，扫描速度500mm/s，层厚30μm，扫描间距100μm。
对比例3
选取平均粒径为31.47μm的Al7075粉末和TiB2(粒径500nm)，对两种粉末进行双离心高速混合搅拌，其混合转速为850rpm，每次时间为1.5分钟，每次混合结束后冷却7分钟再进行下一次混合，总共混合的时间为4.5min。
利用Concept Laser Mlab 200R金属增材制造设备对本对比例中制备得到的复合粉进行SLM成形，工艺参数如下：激光功率190W，扫描速度500mm/s，层厚30μm，扫描间距100μm。
图2中a为对比例1中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，b为实施例1中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，c为对比例2中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图，d为对比例3中SLM成形后的Al7075合金光学显微镜拍摄的金相图。从图2中可以看出，原始Al7075合金中存在大量裂纹与气孔，主要有平行于成形方向的热裂纹。而实施例1中制备的Al7075合金内部没有裂纹，仅有极少量气孔产生；对比例2中虽然增加了TC4和硼的量，但是气孔与裂纹的改善效果并没有提升，因此可以确定实施例1中TC4和硼的量即为最优添加量。
图3为实施例1、对比例1和对比例3中制备的Al7075合金的室温拉伸应力-应变曲线图，从图中可以看出实施例1与对比例2以及对比例3中制备的Al7075合金抗拉强度和延伸率相较于原始Al7075都大幅度提升，且本申请实施例1中制备的Al7075合金的抗拉强度和延伸率最优，其屈服强度达到了236±10MPa，抗拉强度达到了337±4MPa，延展率达到了11.32±0.46％。实施例1中原位合成的TiB2，相比于对比例3中直接添加TiB2，原位合成的TiB2在基体中更加均匀，并且生成的TiB2粒径更小，同时在SLM成形的过程中，TC4粉末与Al原位反应，生成亚稳相L12-Al3Ti，更能促进α-Al的非均匀形核，进一步细化晶粒抑制裂纹与提升力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在惰性气体保护下，将铝合金粉末、TC4粉末和硼粉末进行双离心高速混合搅拌，制得消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉；
(2)将步骤(1)中制备的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉加入到选择性激光熔化型设备的储粉缸中，设置选择性激光熔化成形设备的工作参数后进行选择性激光熔化得到铝合金成形件。
2.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述铝合金包括7075铝合金和2024铝合金，优选为7075铝合金。
3.如权利要求2所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述7075铝合金的粒径为15～53μm。
4.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述TC4粉末的粒径为15～45μm；
或，所述硼粉末的粒径为450～600nm，优选为500nm。
5.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述TC4粉末与最终制备得到的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉的质量比为0.76～3.06％:1，优选为2.30％:1。
6.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述硼粉末与最终制备得到的消除铝合金SLM裂纹与气孔的复合粉的质量比为0.31～1.25％:1，优选为0.93％:1。
7.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述双离心高速混合的转速为700～900rpm，优选为850rpm；
或，双离心高速混合的时间为4～5min，优选为4.5min。
8.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，所述双离心高速混合的方法包括：双离心高速混合每次时间为1～2min，每次混合结束后冷却5～10min再进行下一次混合；优选的，双离心高速混合每次时间为1.5min，每次混合结束后冷却7min再进行下一次混合。
9.如权利要求1所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，激光选区熔化技术的工艺参数为：激光功率180～200W，扫描速度300～800mm/s，铺粉厚度20～40μm，扫描间距80～120μm。
10.如权利要求9所述的消除铝合金选择性激光熔化成形裂纹与气孔的方法，其特征在于，激光功率190W，扫描速度500mm/s，铺粉厚度30μm，扫描间距100μm。
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