CN117684056A - 用于增材制造的高强铝合金粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域,涉及一种用于增材制造的高强铝合金粉末,以质量百分比计,该铝合金粉末包括Zn的含量是4.0‑7.0%、Mg的含量是1.5‑3.5%、Cu的含量是1.0‑3.5%、Sc的含量是a,0.4%≤a≤1.3%、Zr的含量是不高于0.2%、Fe的含量是不高于0.5%、Si的含量是不高于0.4%、Mn的含量是不高于0.5%、Ti的含量是不高于0.2%、Cr的含量是不高于0.28%、O以及N的总含量是不高于0.05%,余量是Al。本发明提供了一种可有效避免型材开裂以及零件性能有明显提升的用于增材制造的高强铝合金粉末。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及一种铝合金粉末及铝合金,尤其涉及一种用于增材制造的高强铝合金粉末。
背景技术
轻量化是衡量先进性的重要指标,铝合金因为其质轻和其他优异的物化性能,作为结构/功能材料而被大量应用在飞机蒙皮、发动机、以及油箱等航空航天领域重要零部件的制造之中。
传统的铝合金加工方式存在铸态强度低、制造周期长、复杂结构难以成形和材料浪费等诸多问题,无法满足航空航天等重要领域对铝合金构件精密化、一体化以及复杂化等要求。如今,随着材料制备技术的不断发展,增材制造技术已经凭借其高度柔性设计、加工过程精简以及结构功能一体化等优势成为制造铝合金的新方法。
然而,铝合金也因其高的激光反射率和热导率等物理性能导致增材制造技术对可打印铝合金粉末的要求很高,传统的高强铝合金粉末材料存在打印开裂问题、已有可用于增材制造的铝合金材料种类少,多为AlSi系,并且抗拉强度难以突破400MPa,在一定程度上限制了其在高承载、高服役性能构件上的应用。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题,本发明提供了一种可有效避免型材开裂以及零件性能有明显提升的用于增材制造的高强铝合金粉末。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末包括Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N,以质量百分比计,所述Zn的含量是4.0-7.0%、Mg的含量是1.5-3.5%、Cu的含量是1.0-3.5%、Sc的含量是a,所述0.4%≤a≤1.3%、Zr的含量是不高于0.2%、Fe的含量是不高于0.5%、Si的含量是不高于0.4%、Mn的含量是不高于0.5%、Ti的含量是不高于0.2%、Cr的含量是不高于0.28%、O以及N的总含量是不高于0.05%,余量是Al。
上述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述0.4≤a<0.7%。
上述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述0.7≤a<1.0%。
上述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述1.0≤a<1.3%。
上述用于增材制造的高强铝合金粉末的粒径小于180μm。
上述用于增材制造的高强铝合金粉末的粒径是15-53μm。
基于如前所记载的用于增材制造的高强铝合金粉末的高强铝合金零件成形方法,其特征在于:所述成形方法是激光选区熔化法。
上述激光选区熔化法包括烘干的步骤,所述烘干是在氩气保护气氛中进行的,所述烘干处理所采用的温度是100~150℃,烘干处理的时间不低于2小时。
一种基于如前所述的方法成形得到的高强铝合金零件,其于:所述高强铝合金零件沉积态的抗拉强度不低于423Mpa,屈服强度不低于342MPa。
本发明的优点是:
本发明提供了一种用于增材制造的高强铝合金粉末,该铝合金粉末以钪(Sc)为强化元素,以传统打印易裂高强铝合金为基础,通过添加Sc元素,与Al形成Al3Sc相,在凝固过程中可作为α-Al的异质形核位点,细化晶粒,使熔池内部粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶,从而消除热裂纹,此外,Al3Sc相稳定性好,进一步提高了打印件的性能,解决了传统高强铝合金在增材制造过程中的开裂问题,零件性能也有了较大提升,为高服役条件下的增材制造铝合金提供了更多的选择。
附图说明
图1是使用3D打印成形的标准化学成分铝合金(a)和本发明所述的铝合金(b)的金相组织对比;
图2是特征元素Sc含量为0.1-0.4时的粉末经3D打印成形后零件的沉积态金相组织照片;
图3是本发明中特征元素Sc含量为0.4-0.7时的粉末经3D打印成形后零件的沉积态应力-应变曲线;
图4是本发明中特征元素Sc含量为0.4-0.7时的粉末经3D打印成形后零件再T6热处理的应力-应变曲线;
图5是本发明中特征元素Sc含量为0.7-1.0时的粉末经3D打印成形后零件的沉积态应力-应变曲线;
图6本发明中特征元素Sc含量为1.0-1.3时的粉末经3D打印成形后零件的沉积态应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
本发明所涉及的增材制造高强铝合金粉末为粒径小于180μm的球形粉末,该铝合金粉末的化学成分如下表所示:
元素 | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Fe |
含量/wt.% | 4.0-7.0 | 1.5-3.5 | 1.0-3.5 | 0.4-1.3 | ≤0.2 | ≤0.5 |
元素 | Si | Mn | Ti | Cr | O+N | Al |
含量/wt.% | ≤0.4 | ≤0.5 | ≤0.2 | ≤0.28 | <0.05 | Bal. |
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用气雾化法或者其他粉体制备技术制得该3D打印铝合金粉末,其球形度须≥0.8,空心粉率须≤10%。该铝合金粉末须抽真空密封保存,在使用增材制造方式成形前,必须烘干处理,烘干的处理工艺为:100~150℃下保温2小时,烘干处理和相应的冷却应在氩气保护气氛中进行。在使用增材制造成形时,该铝合金粉末加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明的工作原理是:本发明通过调整打印易裂传统高强铝合金的成分,添加特征元素Sc,形成Al3Sc作为α-Al的异质形核位点,细化晶粒,使熔池内部粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶,从而消除了凝固时的热裂纹,使得该铝合金粉末完成了从易裂到适用于3D打印成形的转变。如图1所示,(a)为标准化学成分的7XXX铝合金粉末经3D打印成形后的金相组织照片,可以发现,组织中有大量的热裂纹,(b)为本发明中添加特征元素Sc后的铝合金粉末经打印成形后的金相组织照片,由图可知,组织中的热裂纹已经完全消除,组织致密且均匀。
实施例1
一种铝合金粉末材料,所述铝合金粉末材料以传统铝合金为基础,以Sc作为特征添加元素,该铝合金粉末中各元素的含量为:
元素 | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Fe |
含量/wt.% | 5.0-6.5 | 2.0-3.0 | 1.0-2.5 | 0.1-0.4 | ≤0.2 | ≤0.5 |
元素 | Si | Mn | Ti | Cr | O+N | Al |
含量/wt.% | ≤0.4 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.28 | <0.05 | Bal. |
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用氮气雾化法制得该3D打印铝合金粉末;
粉末使用前须在100~150℃的氩气氛围下保温2小时,然后用筛子筛分,使粒径分布在15-53μm范围内。
该粉末打印成形时,将上述粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S400、BLT-S600等设备上成形,该粉末经过打印成形后零件沉积态的金相显微组织如图2所示,由图可知,组织中仍存在微裂纹,裂纹长短不一,部分裂纹贯穿整个熔池,与图1(a)相比,裂纹长度和宽度均有不同程度的减小,表明Sc含量较低时,对裂纹有一定的改善作用,但是难以完全消除。
实施例2
一种铝合金粉末材料,铝合金粉末材料以传统铝合金为基础,以Sc作为特征添加元素,该铝合金粉末中各元素的含量为:
元素 | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Fe |
含量/wt.% | 5.0-6.5 | 2.0-3.0 | 1.0-2.5 | 0.4-0.7 | ≤0.2 | ≤0.5 |
元素 | Si | Mn | Ti | Cr | O+N | Al |
含量/wt.% | ≤0.4 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.28 | <0.05 | Bal. |
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用氮气雾化法制得该3D打印铝合金粉末;
粉末使用前须在100~150℃的氩气氛围下保温2小时,然后用筛子筛分,使粒径分布在15-53μm范围内。
该粉末打印成形时,将上述粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S400、BLT-S600等设备上成形,该粉末经过打印成形后零件沉积态的抗拉强度为423MPa,屈服强度为342MPa,延伸率为21%,室温拉伸应力-应变曲线如图3所示。
实施例3
一种铝合金粉末材料,铝合金粉末材料以传统铝合金为基础,以Sc作为特征添加元素,该铝合金粉末中各元素的含量为:
元素 | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Fe |
含量/wt.% | 5.0-6.5 | 2.0-3.0 | 1.0-2.5 | 0.4-0.7 | ≤0.2 | ≤0.5 |
元素 | Si | Mn | Ti | Cr | O+N | Al |
含量/wt.% | ≤0.4 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.28 | <0.05 | Bal. |
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用氮气雾化法制得该3D打印铝合金粉末;
粉末使用前须在100~150℃的氩气氛围下保温2小时,然后用筛子筛分,使粒径分布在15-53μm范围内。
该粉末打印成形时,将上述粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S400、BLT-S600等设备上成形,打印成形后的零件再经过T6热处理后的抗拉强度为501MPa,屈服强度为443MPa,延伸率为17%,室温拉伸应力-应变曲线如图4所示。热处理后会有纳米级别的细小析出相会从Al基体中时效析出,这种细小的第二相对强度贡献较大,称为时效强化,但是经过热处理,组织中晶粒会长大粗化,因此塑性会降低。
实施例4
一种铝合金粉末材料,铝合金粉末材料以传统铝合金为基础,以Sc作为特征添加元素,该铝合金粉末中各元素的含量为:
元素 | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Fe |
含量/wt.% | 5.0-6.5 | 2.0-3.0 | 1.0-2.5 | 0.7-1.0 | ≤0.2 | ≤0.5 |
元素 | Si | Mn | Ti | Cr | O+N | Al |
含量/wt.% | ≤0.4 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.28 | <0.05 | Bal. |
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用氮气雾化法制得该3D打印铝合金粉末;
粉末使用前须在100~150℃的氩气氛围下保温2小时,然后用筛子筛分,使粒径分布在15-53μm范围内。
该粉末打印成形时,将上述粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S400、BLT-S600等设备上成形,该粉末经过打印成形后零件沉积态的抗拉强度为462MPa,屈服强度为388MPa,延伸率为14%,室温拉伸应力-应变曲线如图5所示。
实施例5
一种铝合金粉末材料,铝合金粉末材料以传统铝合金为基础,以Sc作为特征添加元素,该铝合金粉末中各元素的含量为:
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融,并采用氮气雾化法制得该3D打印铝合金粉末;
粉末使用前须在100~150℃的氩气氛围下保温2小时,然后用筛子筛分,使粒径分布在15-53μm范围内。
该粉末打印成形时,将上述粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中,待成形室的氧含量下降至0.02%以下时,激光开始扫描基板上的粉末,逐层堆积,最终形成实体零件。
本发明在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S400、BLT-S600等设备上成形,该粉末经过打印成形后零件沉积态的抗拉强度为481MPa,屈服强度为396MPa,延伸率为11%,室温拉伸应力-应变曲线如图6所示。
Claims (10)
1.一种用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末包括Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N,以质量百分比计,所述Zn的含量是4.0-7.0%、Mg的含量是1.5-3.5%、Cu的含量是1.0-3.5%、Sc的含量是a,所述0.4%≤a≤1.3%、Zr的含量是不高于0.2%、Fe的含量是不高于0.5%、Si的含量是不高于0.4%、Mn的含量是不高于0.5%、Ti的含量是不高于0.2%、Cr的含量是不高于0.28%、O以及N的总含量是不高于0.05%,余量是Al。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述0.4<a≤0.5%。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述0.5<a≤0.7%。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述0.7<a≤1.0%。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末中Sc的含量是a,所述1.0<a≤1.3%。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末的粒径小于180μm。
7.根据权利要求6所述的用于增材制造的高强铝合金粉末,其特征在于:所述用于增材制造的高强铝合金粉末的粒径是15-53μm。
8.基于权利要求7所述的用于增材制造的高强铝合金粉末的高强铝合金零件成形方法,其特征在于:所述成形方法是激光选区熔化法。
9.根据权利要求8所述的成形方法,其特征在于:所述激光选区熔化法包括烘干的步骤,所述烘干是在氩气保护气氛中进行的,所述烘干处理所采用的温度是100~150℃,烘干处理的时间不低于2小时。
10.一种基于如权利要求8或9所述的方法成形得到的高强铝合金零件,其特征在于:所述高强铝合金零件沉积态的抗拉强度不低于423Mpa,屈服强度不低于342MPa。
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