CN117646139A - 一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，包括：镁Mg为1.8wt.％～3.5wt.％，锰Mn为0.5wt.％～1.5wt.％，锆Zr为1.6wt.％～2.5wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。本申请提供的一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法，通过优化AlMgScZr(Scalmalloy)，利用激光粉末床熔化技术制备了合金试样，该耐热铝合金的室温抗拉强度在500～550MPa之间，延伸率在10％～15％之间。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印铝合金技术领域，具体为一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小，比强度高，耐腐蚀性好，铸造性能优良以及易于回收等优点，是航空航天，汽车，3C产品轻量化的主要结构材料。传统牌号的铝合金非常多，但能适合3D打印PBF的牌号只有AlSi10Mg，AlSi7Mg，在高强铝合金中商用的牌号只有Scalmalloy，此材料热处理后力学性能抗拉强度500Mpa，屈服强度490Mpa，延伸率12％，但此材料中的Sc元素极其昂贵，从而使材料使用成本难以接受，无法满足更广泛的低成本的要求。所以迫切的需要一种能适合PBF打印的低成本的高强韧的铝合金。
发明内容
本申请提出了一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法，通过优化高强韧铝合金材料不添加Sc元素，也能达到高强韧的力学性能，并使其适合3D打印的要求。可大规模用于生产制造，并且成本低。通过激光粉末床熔化技术(LPBF)制备了合金试样。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，包括：镁Mg为1.8wt.％～3.5wt.％，锰Mn为0.5wt.％～1.5wt.％，锆Zr为1.6wt.％～2.5wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。
进一步，所述镁Mg、锰Mn、锆Zr元素分别通过铝镁、铝锰、铝锆中间合金的方式添加。
进一步，铝镁中间合金中镁的质量百分比为20％，铝锰中间合金中锰的质量百分比为10％，铝锆中间合金中锆的质量百分比为10％。
进一步，室温抗拉强度为500～550MPa，屈服强度为440～490MPa之间，延伸率为10％～15％。
进一步，镁Mg为0.8～1.8wt.％，锰Mn为0.5～0.8wt.％，锆Zr为0.8％～1.6％。
进一步，镁Mg为1.8～3.5wt.％，锰Mn为0.5～1.5wt.％，锆Zr为1.6％～2.5％。
进一步，镁Mg为3.5～4.0wt.％，锰Mn为1.5～2.5wt.％，锆Zr为2.5％～3.0％。
一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金的制备方法，用于制备权利要求1～6任一项所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，包括以下步骤：
S1：按照合金元素配比配置母合金并在中频感应炉中熔化得到合金铸锭棒材，对棒材机加使其满足等离子旋转电极要求；将所述机加后的合金铸锭棒材利用等离子旋转电极雾化法加工成球形合金粉末，并在加工过程中通入氩气或氮气进行气体保护；
S2：通过激光粉床选择性激光熔化方式进行铝合金材料的制备，获得铝合金材料；
S3：室温拉伸测试采用GB/T 4338-2006测试标准，测试拉伸速度为0.5mm/min。
进一步，步骤S1中，所述球形合金粉末具有以下规格：粒径分布为20μm～63μm，D10为25μm～30μm，平均粒径为40μm～50μm，D90为65μm～75μm；其中小于20um的颗粒占比小于1％；球形粉末球形度大于95％，空心粉率小于1％，霍尔流速小于80秒。
进一步，步骤S1中，所述选择性激光熔化的能量密度保持在50～100J/m之间，扫描速度保持在1～2m/s之间。
本发明具备以下有益效果：
1、本申请提供的一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法，通过优化AlMgScZr(Scalmalloy)，利用激光粉末床熔化技术制备了合金试样，该耐热铝合金的室温抗拉强度在500～550MPa之间，延伸率在10％～15％之间。
2、本申请提供的一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法，通过优化AlMgScZr，去除了昂贵的Sc元分析，使其能使用3d打印LPBF技术。打破了3D打印高强铝合金粉只有Al MgScZr的问题，并且高强铝合金中完全不使用Sc，降低了制备成本。
3、本申请提供的一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金及其制备方法，合金成分中含元素Mg塑性好，同时Mn在铝中具有较高的固溶度，还可以产生显著的固溶强化效果，Zr晶粒细化，在上述相强化的同时，保证了合金的塑性，因此，本发明所规定的合金元素成分范围，所添加元素都起到了积极的作用，规避了合金元素交互作用带来的不利影响。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本申请公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本申请公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1为实施例2的球形粉末形貌图；
图2为合金XY和XZ面的SEM照片图；
图3为晶粒的形貌和生长结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参阅附图1、附图2、附图3，本发明提供以下实施例：
实施例1
S1:按配方Mg 0.8～1.8wt.％，Mn 0.5～0.8wt.％，Zr 0.8％～1.6％配置中间合金在中频感应炉中充分熔化，通过等离子旋转电极加工成球形合金粉末，得到球形粉末粒径分布为20μm～63μm，平均粒径为40μm～45μm。
S2:通过激光粉床选择性激光熔化方式进行铝合金材料的制备，获得铝合金材料；所述选择性激光熔化的能量密度保持在70～90J/m之间，扫描速度保持在0.8～1.2m/s之间。
S3:经测试打印合金的室温抗拉强度为450～480MPa，延伸率为13％～15％。
实施例2
S1:按配方Mg 1.8～3.5wt.％，Mn 0.5～1.5wt.％，Zr 1.6％～2.5％配置中间合金在中频感应炉中充分熔化，通过等离子旋转电极加工成球形合金粉末，得到形粉末粒径分布为20μm～63μm，平均粒径为40μm～45μm。
S2:通过激光粉床选择性激光熔化方式进行铝合金材料的制备，获得铝合金材料；所述选择性激光熔化的能量密度保持在90～110J/m之间，扫描速度保持在0.8～1m/s之间
S3:经测试打印合金的室温抗拉强度为500-550MPa，延伸率为10％～15％。
实施例3
S1:按配方Mg 3.5～4.0wt.％，Mn 1.5～2.5wt.％，Zr 2.5～3.0wt.％配置中间合金在中频感应炉中充分熔化，通过等离子旋转电极加工成球形合金粉末，得到形粉末粒径分布为20μm～63μm，平均粒径为35μm～45μm。
S2:通过激光粉床选择性激光熔化方式进行铝合金材料的制备，获得铝合金材料；所述选择性激光熔化的能量密度保持在90～110J/m之间，扫描速度保持在0.8～1m/s之间。
S3:经测试打印合金的室温抗拉强度为480～520MPa，延伸率为8％～10％。
对比例1
将实施例2作为实施例1与实施例3的对比例。
Claims (10)
1.一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，包括：镁Mg为0.8wt.％～4.0wt.％，锰Mn为0.5wt.％～2.5wt.％，锆Zr为0.8wt.％～3.0wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。
2.根据权利要求1所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，所述镁Mg、锰Mn、锆Zr元素分别通过铝镁、铝锰、铝锆中间合金的方式添加。
3.根据权利要求2所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，铝镁中间合金中镁的质量百分比为20％，铝锰中间合金中锰的质量百分比为10％，铝锆中间合金中锆的质量百分比为10％。
4.根据权利要求1所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，室温抗拉强度为500～550MPa，屈服强度为440～490MPa之间，延伸率为10％～15％。
5.根据权利要求1所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，镁Mg为0.8～1.8wt.％，锰Mn为0.5～0.8wt.％，锆Zr为0.8％～1.6％。
6.根据权利要求1所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，镁Mg为1.8～3.5wt.％，锰Mn为0.5～1.5wt.％，锆Zr为1.6％～2.5％。
7.根据权利要求1所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，其特征在于，镁Mg为3.5～4.0wt.％，锰Mn为1.5～2.5wt.％，锆Zr为2.5％～3.0％。
8.一种增材制造用高强韧铝镁锰锆合金的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～7任一项所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金，包括以下步骤：
S1：按照合金元素配比配置母合金并在中频感应炉中熔化得到合金铸锭棒材，对棒材机加使其满足等离子旋转电极要求；将所述机加后的合金铸锭棒材利用等离子旋转电极雾化法加工成球形合金粉末，并在加工过程中通入氩气或氮气进行气体保护；
S2：通过激光粉床选择性激光熔化方式进行铝合金材料的制备，获得铝合金材料；
S3：室温拉伸测试采用GB/T 4338-2006测试标准，测试拉伸速度为0.5mm/min。
9.根据权利要求8所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述球形合金粉末具有以下规格：粒径分布为20μm～63μm，D10为25μm～30μm，平均粒径为40μm～50μm，D90为65μm～75μm；其中小于20um的颗粒占比小于1％；球形粉末球形度大于95％，空心粉率小于1％，霍尔流速小于80秒。
10.根据权利要求8所述的增材制造用高强韧铝镁锰锆合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述选择性激光熔化的能量密度保持在50～100J/m之间，扫描速度保持在1～2m/s之间。
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