CN117778835A - 一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.5‑2.0％，Mg 1.1‑1.6％，Sc 0.8‑1.0％，Zr 1.0‑1.2％和Mn，余量为Al；其中Mn和Cu的质量比为(0.5‑0.7)：1。本发明还公开了一种高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金的制备方法。将本发明的Al‑Mg‑Sc‑Zr合金粉末经选区激光熔化成形工艺打印成形后，再在350‑400℃下进行退火热处理，并保温8‑12h，得到高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金。本发明通过在Al‑Mg‑Sc‑Zr合金中进一步加入特定含量的Cu和Mn元素，并对Mn和Cu的质量比精确控制，实现了Al‑Mg‑Sc‑Zr合金强度的显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及合金制造技术领域，尤其涉及一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金及其制备方法。
背景技术
Al-Mg合金因其具有较好的成型性、耐蚀性和焊接性，在航空、航天、舰船、电子等行业中得到广泛应用。近年来研究表明，在Al-Mg合金中复合添加Sc、Zr两种微量元素能显著提高合金的强度。合金强度的显著提高主要是由于Sc、Zr与Al元素生成Al3(Sc，Zr)质点显著细化晶粒组织，产生细晶强化，并且析出的次生Al3(Sc，Zr)质点在铝基体中分布均匀，产生弥散强化；同时，Al3(Sc，Zr)质点还可抑制合金材料后续热处理过程时再结晶，产生亚结构强化作用。
传统铝镁合金加工工艺主要采用熔炼、铸造和锻造等手段，但是随着产品技术水平的不断提高和研制周期的不断缩短，对制造复杂精密结构的铝合金构件也提出了新的要求。选区激光熔化技术(SLM)是以金属粉末为加工原料，采用高能量密度的激光束将铺洒在金属基板上的粉末进行逐层熔覆堆积，利用金属粉末完全熔化快速冷却成形的一种新型制造技术。SLM已成为高精度、高性能的铝镁复杂结构零件快速成形的首选技术手段。然而，金属液在SLM过程中经历的特殊凝固条件及其逐层熔覆堆积方式，导致了多种组织特征，包括亚稳相和过饱和固溶体的形成、极端组织细化以及残余应力的产生，导致综合力学性能不佳。目前已有的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末仍然具有激光反射率高、线膨胀系数高等特点，使得SLM成形技术的应用有所局限，尤其是所制备的合金材料强度满足不了现代相关特殊行业的要求，因此，本领域技术人员亟需找到一种更适合于选区激光熔化技术的高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金及其制备方法。本发明通过在Al-Mg-Sc-Zr合金中进一步加入特定含量的Cu和Mn元素，并对Mn和Cu的质量比精确控制，实现了Al-Mg-Sc-Zr合金强度的显著提升。
本发明提供一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu1.5-2.0％，Mg 1.1-1.6％，Sc 0.8-1.0％，Zr 1.0-1.2％和Mn，余量为Al；其中Mn和Cu的质量比为(0.5-0.7)：1。
本发明通过添加特定含量的Cu和Mn元素，并发现当Mn/Cu的质量比为(0.5-0.7)：1时，Sc和Zr在铝基体中的溶解度显著增大，在SLM极快的冷却速度下，使得产生弥散分布的Al3(Sc，Zr)粒子数量增多，通过细晶强化和弥散强化作用，使得本发明Al-Mg-Sc-Zr合金强度的提升；Mn/Cu的质量比为(0.5-0.7)：1时，Cu和Mn元素分别与Al形成一定含量的CuAl2、MnAl6金属化合物，可抑制析出相Al3(Sc，Zr)在退火热处理时发生粗化，从而使其强化效果进一步得到保证。
优选地，所述合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.8％，Mg 1.3％，Sc0.9％，Zr 1.2％，Mn 1.08％，余量为Al。
优选地，所述合金粉末是在惰性气体氛围保护下，经气雾化法制备得到。
优选地，所述惰性气体为高纯氮气或者氩气。
优选地，所述合金粉末粒径范围为22.5-61.5μm。
本发明提供了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，包括如下步骤：取上述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末为原料，经选区激光熔化打印成形得到Al-Mg-Sc-Zr合金。
优选地，在选区激光熔化打印成形后进行退火处理，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。
由于选取激光熔化的冷却速度太快，导致合金内部残余应力堆积等缺点，通过退火处理，一方面可以消除残余应力，另一方面可调整合金显微组织结构，在铝基体中析出细小的Al3(Sc，Zr)相，从而产生钉扎位错作用，使得合金强度提升。
优选地，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率350-370W、扫描速率800-1000mm/s、间距0.10-0.15mm、铺粉层厚为25-40μm。
优选地，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率360W、扫描速率900mm/s、间距0.12mm、铺粉层厚为30μm。
优选地，所述退火温度为350-400℃，退火保温时间为8-12h。
研究表明，现有的Al-Mg-Sc-Zr合金在300℃及以上退火时，合金的强度会发生一定下降，但耐腐蚀性能会得到明显改善。然而，本发明通过添加Cu和Mn，并对其比例进行精确控制，使得本发明Al-Mg-Sc-Zr合金在此退火温度下，析出相Al3(Sc，Zr)也不易粗化，有助于Al-Mg-Sc-Zr合金强度保持稳定，同时也能使其耐腐蚀性能良好。
本发明还提供了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金，按照上述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法制得。
有益效果：
本发明通过在Al-Mg-Sc-Zr合金中添加特定含量的Cu和Mn，并对Mn/Cu的质量比进行优化和精准控制，使得在与之适配的SLM成形工艺和热处理工艺下，实现对Al3(Sc，Zr)粒子的数量和尺寸的控制，从而使得本发明的Al-Mg-Sc-Zr合金强度有明显提升。此外，本发明提供的Al-Mg-Sc-Zr合金经特定的退火处理后还具有较好的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为实施例1高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末扫描电镜图，其中，a、b分别为放大200、500倍后的粉末形貌。
图2为实施例1高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。
图3为实施例2高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。
图4为实施例3高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.8％，Mg 1.3％，Sc 0.9％，Zr 1.2％，Mn 1.08％，余量为Al；此配方中Mn/Cu的质量比为0.6：1；此合金粉末是经安徽哈特三维的雾化制粉设备，以氮气为雾化介质，进行气雾化制粉所得；雾化制粉完成后，用超声震动进行筛分分级，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末粒径为22.5-61.5μm；
图1为实施例1高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末扫描电镜图，其中，a、b分别为放大200、500倍后的粉末形貌。由图可看出，所制备的合金粉末绝大部分呈现球状或者近球状，这样的形状使得粉末之间的接触面积和摩擦力较低，从而改善粉末的流动性和充填特性，有利于SLM打印成形出致密、无孔隙的零件。
一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备过程，具体包括如下步骤：
将上述制备得到的高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末放入SLM125HL型SLM打印机供粉缸中，开启SLM打印机，开始打印操作，得到SLM成形件；
其中，SLM打印的具体参数为：激光功率360W、扫描速率900mm/s、间距0.12mm、铺粉层厚为30μm；
对上述得到的SLM成形件进行退火热处理，退火温度为380℃，退火保温时间为10h，空气冷却至室温，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。
图2为实施例1高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。由图可看出熔池重叠，呈现层层堆叠的“鱼鳞”状结构，显微组织结构细致均匀，且可看出合金具有明显的细晶结构分布在熔池底部和边缘。
实施例2
本实施例提供了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.5％，Mg 1.1％，Sc 1.0％，Zr 1.0％，Mn 1.05％，余量为Al；此配方中Mn/Cu的质量比为0.7：1；此合金粉末是经安徽哈特三维的雾化制粉设备，以氮气为雾化介质，进行气雾化制粉所得；雾化制粉完成后，用超声震动进行筛分分级，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末粒径为22.5-61.5μm；
一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备过程，具体包括如下步骤：
将上述制备得到的高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末放入SLM125HL型SLM打印机供粉缸中，开启SLM打印机，开始打印操作，得到SLM成形件；
其中，SLM打印的具体参数为：激光功率350W、扫描速率1000mm/s、间距0.10mm、铺粉层厚为40μm；
对上述得到的SLM成形件进行退火热处理，退火温度为350℃，退火保温时间为12h，空气冷却至室温，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。
图3为实施例2高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。由图可看出熔池重叠，呈现层层堆叠的“鱼鳞”状结构，显微组织结构细致均匀。
实施例3
本实施例提供了一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 2.0％，Mg 1.6％，Sc 0.8％，Zr 1.1％，Mn 1.0％，余量为Al；此配方中Mn/Cu的质量比为0.5：1；此合金粉末是经安徽哈特三维的雾化制粉设备，以氮气为雾化介质，进行气雾化制粉所得；雾化制粉完成后，用超声震动进行筛分分级，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末粒径为22.5-61.5μm；
一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备过程，具体包括如下步骤：
将上述制备得到的高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末放入SLM125HL型SLM打印机供粉缸中，开启SLM打印机，开始打印操作，得到SLM成形件；
其中，SLM打印的具体参数为：激光功率370W、扫描速率800mm/s、间距0.15mm、铺粉层厚为25μm；
对上述得到的SLM成形件进行退火热处理，退火温度为400℃，退火保温时间为8h，空气冷却至室温，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。
图4为实施例3高强度Al-Mg-Sc-Zr合金腐蚀后的金相光学显微镜图。由图可看出熔池重叠，呈现层层堆叠的“鱼鳞”状结构，显微组织结构细致均匀。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于：Al-Mg-Sc-Zr合金粉末配方(其成分按重量百分比计)为Cu 1.8％，Mg 1.3％，Sc 0.9％，Zr 1.2％，Mn 0.54％，余量为Al；此配方中Mn/Cu的质量比为0.3：1；
SLM打印成形、退火热处理工艺及其参数与实施例1一致。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于：Al-Mg-Sc-Zr合金粉末配方(其成分按重量百分比计)为Cu 1.8％，Mg 1.3％，Sc 0.9％，Zr 1.2％，Mn 1.62％，余量为Al；此配方中Mn/Cu的质量比为0.9：1；
SLM打印成形、退火热处理工艺及其参数与实施例1一致。
对比例3
本对比例除了退火热处理保温时间为16h与实施例1不同，其余步骤操作均与实施例1完全一致。
力学性能测试：
对上述实施例和对比例所制备的Al-Mg-Sc-Zr合金，用津岛生产的20Kn规格的AGXplus电子万能试验机，严格按照国家标准《GB/T228-2002金属材料室内拉伸试验方法》进行拉伸性能测试，测试结果如下：
由上述拉伸结果可以看出，只有当在Al-Mg-Sc-Zr合金中精准控制所添加的Mn/Cu的质量比为(0.5-0.7)：1，并结合相适应的退火工艺，才可使得合金抗拉强度和屈服强度有明显的提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：Cu1.5-2.0％，Mg 1.1-1.6％，Sc 0.8-1.0％，Zr 1.0-1.2％和Mn，余量为Al；其中Mn和Cu的质量比为(0.5-0.7)：1。
2.根据权利要求1所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.8％，Mg 1.3％，Sc 0.9％，Zr 1.2％，Mn 1.08％，余量为Al。
3.根据权利要求1或2所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其特征在于，所述合金粉末是在惰性气体氛围保护下，经气雾化法制备得到。
4.根据权利要求1或3任一项所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，其特征在于，所述合金粉末粒径范围为22.5-61.5μm。
5.一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取如权利要求1-4任一项所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金粉末为原料，经选区激光熔化打印成形得到Al-Mg-Sc-Zr合金。
6.根据权利要求5所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，其特征在于，在选区激光熔化打印成形后进行退火处理，得到高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。
7.根据权利要求5或6所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，其特征在于，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率350-370W、扫描速率800-1000mm/s、间距0.10-0.15mm、铺粉层厚为25-40μm。
8.根据权利要求5-7任一项所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，其特征在于，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率360W、扫描速率900mm/s、间距0.12mm、铺粉层厚为30μm。
9.根据权利要求6-8任一项所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法，其特征在于，所述退火温度为350-400℃，退火保温时间为8-12h。
10.一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金，其特征在于，按照权利要求5-9任一项所述高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的制备方法制得。
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