CN117921025A - 一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光熔化成形的Al‑Si系合金粉末及其制备和应用，以质量分数计，其原料包括Si为7～8.5wt.％、Mg为2～3wt.％、Zr为0.2～0.5wt.％、Sc为0.2～0.5wt.％、Mn为0.2～0.3wt.％、Cu为0.1～0.2wt.％，其余为Al。本发明通过对Al‑Si系合金粉末的各元素之间的比例的合理调控，以Mg固溶强化、Sc和Zr细晶强化以及Mn的析出强化，使得Al‑Si系合金粉末经SLM打印后的零件致密度高、强度高、缺陷少，解决了传统Al‑Si系合金粉末在SLM成型存在强度较低、容易形成裂纹的问题。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末及其制备和应用。
背景技术
发动机机匣的结构复杂，现有的多采用传统的熔炼铸造工艺进行生产，其生产周期较长。选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是目前比较热门的一种增材制造工艺，采用高能激光束熔化合金粉末，高能激光束作用于合金粉末上，使合金粉末快速熔化、急冷急凝，能够大大提高生产效率。并且，在合金速熔速凝的过程中，有利于形成过饱和固溶体，改善合金的组织和性能，生产的零件性能优于熔炼铸造法。
铝合金具有密度小、耐腐蚀、延展性良好、抗高温氧化的优点，目前被广泛地应用于航空航天、汽车制造、精密仪器生产等领域。Al-Si系合金熔点低，熔体流动性好，其凝固温度区间较窄，能用于SLM成型。但是Al-Si系合金的强度较低，难以满足需求。CN202011072743.1一种Al-Si合金及其制备方法和应用公开提供的Al-Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，该专利通过在合金中加入少量的Zr以及复合稀土La和Er，同时控制合金中Si、Cu和Mg的含量，可以改善Si相形貌，细化晶粒，且合金组织均匀，具有较高的强度和较好的耐磨性。虽然在一定范围内提高Si含量能够提高合金强度，但是该专利中Si含量过高，会降低其塑形，使SLM打印成形的样品表现出明显的脆性行为；并且向Al-Si系合金中添加Mg元素能够通过固溶强化提高Al-Si系合金的强度，但在SLM成型时Mg含量过高又容易使Al-Si系合金产生裂纹。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有Al-Si系合金粉末在SLM成型存在强度较低、在打印过程中存在明显的脆性行为以及容易形成裂纹的问题，提供一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末的制备方法和应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其原料包括Si为7～8.5wt.％、Mg为2～3wt.％、Zr为0.2～0.5wt.％、Sc为0.2～0.5wt.％、Mn为0.2～0.3wt.％、Cu为0.1～0.2wt.％，其余为Al。
本发明所述Al-Si系合金粉末在受到高能激光束作用，熔化产生熔池，急冷急凝后，形成的网络状共晶Si组织，起到细晶强化作用，向Al-Si系合金中添加Mg元素能够通过固溶强化提高Al-Si系合金的强度，经过热处理时效后，细小弥散分布的Mg2Si第二相对位错和晶粒亚结构的运动具有强烈的阻碍作用，从而提高合金的力学性能。Sc和Zr元素添加到Al-Si系合金中，能够细化晶粒尺寸，起到细晶强化的作用，弥散的Al3(Sc,Zr)粒子作为形核位点能够降低析出相形核的界面能，在SLM成形铝合金时能够抑制快速凝固过程中热裂纹的形成，添加Mn能够提高铝合金时效析出相的热稳定性，Mg、Sc、Zr、Mn共同作用促进Al-Si系合金强化。Cu的存在起到强化的作用，通过不同的热处理工艺调整铝合金的组织和性能，促进如θ、θ′相的析出。
进一步地，所述原料包括Si为8wt.％、Mg为2.5wt.％、Zr为0.4～0.5wt.％、Sc为0.2～0.3wt.％、Mn为0.2～0.3wt.％、Cu为0.1wt.％，其余为Al。
优选地，所述原料包括Si为8wt.％、Mg为2.5wt.％、Zr为0.5wt.％、Sc为0.2wt.％、Mn为0.3wt.％、Cu为0.1wt.％，其余为Al。
所述的一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其制备步骤包括：按质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭，用真空感应炉进行熔炼，并使用氩气进行气雾化制粉，得到相应的Al-Si系合金粉末。
进一步地，所述熔炼的温度为700～850℃，熔炼时炉内气压为0.4～0.6MPa；所述雾化制粉的气雾化压力为7～8.5MPa。
根据上述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末应用于发动机机匣。
进一步地，Al-Si系合金粉末制备发动机机匣的步骤包括：
S1.对合金粉末进行干燥处理，在激光打印时将基板加热温度提高至170℃，进行激光打印；
S2.对激光打印成型的样品进行热处理后得到发动机机匣产品。
进一步地，所述合金粉末的粒径不超过80μm。优选地，所述合金粉末的粒径为20-60μm。
进一步地，所述激光打印的功率250-300W；扫描速度1000-1100mm/s；扫描间距0.1-0.2mm；扫描层厚0.01-0.03mm；层间转角65-67°。
进一步地，所述热处理温度为150～170℃，保温时间为10～12h。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明通过对Al-Si系合金粉末的各元素之间的比例的合理调控，确定适量的Si含量，在能够提高合金强度基础上保证其塑形性能。同时，控制Mg元素的添加含量，Mg原子的半径大于Al原子的半径，作为固溶原子进入到Al晶格中，可产生局部应变场，局部应变场与晶格中的位错相互作用阻碍位错的自由移动，从而提高合金强度。再经过热处理时效后，细小弥散分布的Mg2Si第二相对位错和晶粒亚结构的运动具有强烈的阻碍作用，进一步提高合金的力学强度。
本发明添加Sc、Zr能够形成Al3(Sc，Zr)相，显著细化晶粒，晶粒细化增加了晶界密度，阻碍了位错的运动，细小的晶粒结构能够有效阻碍位错运动和裂纹的扩展。热处理后，这些粒子弥散分布于基体中，作为形核位点促进析出相形核，Al3(Sc，Zr)相与Al基体的界面结合类似完全共格。Mn能够提高铝合金时效析出相的热稳定性。
本发明通过Sc、Zr、Mn、Cu协同对含Mg的Al-Si合金进行细晶强化、固溶强化和析出强化，使Al-Si系合金在成型后的产品致密度达到98％以上，组织细小均匀、缺陷少，在热处理后，本发明的Al-Si系合金粉末制备的零件硬度超过170HV0.2，抗拉强度超过500MPa，力学性能优异，耐高温氧化，避免合金粉末在SLM成型时存在缺陷。
附图说明
图1为实施例1SLM打印的Al-Si系合金金相图；
图2为实施例1所用SLM打印Al-Si系合金粉末形貌；
图3为实施例1所有SLM打印Al-Si系合金组织SEM图；
图4为实施例1SLM打印Al-Si系合金拉伸及金相观察试样。
具体实施方式
下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。若未特别指明，实施例中所用的方法和设备为本领域常规方法和设备，所用原料均为常规市售原料。
实施例1
本实施例提供Al-Si系合金粉末进行选区激光熔化成型的方法，本实施例使用Al-Si系合金粉末，成分含有以下质量百分比的元素：Si为7％；Mg为2.1％；Zr为0.2％；Sc为0.2％；Mn为0.2％；Cu为0.1％；其余为Al。
具体步骤包括：
S1.Al-Si系合金粉末的制备：按上述质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭，用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度850℃，熔炼炉内气压为0.6MPa。并使用高压氩气气流对金属液流进行破碎、雾化，雾化压力8.5MPa，制备得到球形或近球形粉末，筛分得到20～60μm的粉末。
S2.SLM成型：在真空干燥箱中，对筛分粉末进行80℃下8小时干燥处理，打印时将基板加热温度提高至170℃，提高基板加热温度，能够减少内应力，改善了Al-Si系合金的力学性能，提高强度和硬度。设定打印铝合金粉末激光工艺参数为：激光功率250W；扫描速度1000mm/s；扫描间距0.1mm；扫描层厚0.03mm；层间转角67°，进行打印成型。在165℃保温12h对成形样品进行热处理，冷却得到试件。
实施例2
本实施例提供Al-Si系合金粉末进行选区激光熔化成型的方法，本实施例使用Al-Si系合金粉末，成分含有以下质量百分比的元素：Si为7％；Mg为2％；Zr为0.4％；Sc为0.2％；Mn为0.2％；Cu为0.1％；其余为Al。
具体步骤包括：
S1.Al-Si系合金粉末的制备：按上述质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭，用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度850℃，熔炼炉内气压为0.6MPa。并使用高压氩气气流对金属液流进行破碎、雾化，雾化压力8.5MPa，制备得到球形或近球形粉末，筛分得到20～60μm的粉末。
S2.SLM成型：于真空干燥箱中，对筛分粉末进行80℃下8小时干燥处理，打印时将基板加热温度提高至170℃。设定打印铝合金粉末激光工艺参数为：激光功率280W；扫描速度1000mm/s；扫描间距0.1mm；扫描层厚0.03mm；层间转角67°，进行打印成型。在165℃保温12h对成形样品进行热处理，冷却得到试件。
实施例3
本实施例提供Al-Si系合金粉末进行选区激光熔化成型的方法，本实施例使用Al-Si系合金粉末，成分含有以下质量百分比的元素：Si为8％；Mg为2.5％；Zr为0.4％；Sc为0.3％；Mn为0.2％；Cu为0.1％；其余为Al。
具体步骤包括：
S1.Al-Si系合金粉末的制备：按上述质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭，用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度850℃，熔炼炉内气压为0.6MPa。并使用高压氩气气流对金属液流进行破碎、雾化，雾化压力8.5MPa，制备得到球形或近球形粉末，筛分得到20～60μm的粉末。
S2.SLM成型：于真空干燥箱中，对筛分粉末进行80℃下8小时干燥处理，打印时将基板加热温度提高至170℃。设定打印铝合金粉末激光工艺参数为：激光功率250W；扫描速度1100mm/s；扫描间距0.1mm；扫描层厚0.03mm；层间转角67°，进行打印成型。在165℃保温12h对成形样品进行热处理，冷却得到试件。
实施例4
本实施例提供Al-Si系合金粉末进行选区激光熔化成型的方法，本实施例使用Al-Si系合金粉末，成分含有以下质量百分比的元素：Si为8％；Mg为2.5％；Zr为0.5％；Sc为0.2％；Mn为0.3％；Cu为0.1％；其余为Al。
具体步骤包括：
S1.Al-Si系合金粉末的制备：按上述质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭，用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度850℃，熔炼炉内气压为0.6MPa。并使用高压氩气气流对金属液流进行破碎、雾化，雾化压力8.5MPa，制备得到球形或近球形粉末，筛分得到20～60μm的粉末。
S2.SLM成型：于真空干燥箱中，对筛分粉末进行80℃下8小时干燥处理，打印时将基板加热温度提高至170℃。设定打印铝合金粉末激光工艺参数为：激光功率300W；扫描速度1000mm/s；扫描间距0.1mm；扫描层厚0.03mm；层间转角67°，进行打印成型。在165℃保温12h对成形样品进行热处理，冷却得到试件。
将实施例1中所得的试件进行性能检测，其Al-Si系合金粉末形貌、试件及其金相和SEM图如图1-4所示，如图1所示，本发明的合金粉末形状规则、粒度均匀。如图2-3，所制备的时间金相组织细小、成分无偏析。如图3所示，得到的试件尺寸精度高，表面光滑。
对本发明实施例中所制备的各试件进行力学性能检测，检测结果如下表1所示：
表1
由表1可知，本发明所述Al-Si系合金粉末经由SLM打印制备的试件的致密度均高于98％，在热处理前，本发明所制备的零件抗拉强度达到了460MPa以上，硬度超过150HV0.2，热处理后，零件的性能进一步提升，其抗拉强度超过500MPa，硬度超过170HV0.2，其高温力学性能优良，致密度高、强度高、缺陷少，性能优于熔炼铸造法制备的Al-Si系合金打印零件打印得到的零部件。
本发明在Al-Si系合金大幅度降低Si元素含量，使其在能够提高合金强度的基础上，同时保持其塑性能力。并通过添加合适比例的Mg、Sc、Zr、Mn、Cu元素，能够细化组织和晶粒，进一步地提高强度。具体地，Si经SLM成形变为均匀细小且连续分布的网格状Si相，Mg原子的半径大于Al原子的半径，作为固溶原子进入到Al晶格中，可产生局部应变场，局部应变场与晶格中的位错相互作用阻碍位错的自由移动，从而提高合金强度。此外，SLM成形样品中急冷急凝引起的内应力也会增加SLM成形合金中的位错密度，从而增加位错间的交互作用。再添加Sc、Zr能够形成Al3(Sc，Zr)相，显著细化晶粒，晶粒细化增加了晶界密度，阻碍了位错的运动，细小的晶粒结构能够有效阻碍位错运动和裂纹的扩展，从而提高强度。
热处理后，这些粒子弥散分布于基体中，作为形核位点促进析出相形核，Al3(Sc，Zr)相与Al基体的界面结合类似完全共格。经过热处理时效后，细小弥散分布的Mg2Si第二相对位错和晶粒亚结构的运动具有强烈的阻碍作用，从而提高合金的力学性能。添加Mn能够提高铝合金时效析出相的热稳定性，Cu的存在起到强化的作用，通过不同的热处理工艺调整铝合金的组织和性能，促进如θ、θ′相的析出。本发明通过以上几种元素进行协同作用，对Al-Si系合金及进行细晶强化、固溶强化和析出强化，从而降低Si含量的作用下提高整个铝合金的力学性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其特征在于，其原料包括Si为7～8.5wt.％、Mg为2～3wt.％、Zr为0.2～0.5wt.％、Sc为0.2～0.5wt.％、Mn为0.2～0.3wt.％、Cu为0.1～0.2wt.％，其余为Al。
2.根据权利要求1所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其特征在于，所述原料包括Si为8wt.％、Mg为2.5wt.％、Zr为0.4～0.5wt.％、Sc为0.2～0.3wt.％、Mn为0.2～0.3wt.％、Cu为0.1wt.％，其余为Al。
3.根据权利要求2所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其特征在于，所述原料包括Si为8wt.％、Mg为2.5wt.％、Zr为0.5wt.％、Sc为0.2wt.％、Mn为0.3wt.％、Cu为0.1wt.％，其余为Al。
4.根据权利要求1-3任一所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其特征在于，制备步骤包括：按质量百分比称取相应的金属和中间合金铸锭；用真空感应炉进行熔炼，并使用氩气进行气雾化制粉，得到相应的Al-Si系合金粉末。
5.根据权利要求4所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末，其特征在于，所述熔炼的温度为700～850℃，熔炼时炉内气压为0.4～0.6MPa；所述雾化制粉的气雾化压力为7～8.5MPa。
6.根据权利要求1所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末应用于发动机机匣。
7.根据权利要求6所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末的应用，其特征在于，Al-Si系合金粉末制备发动机机匣的步骤包括：
S1.对合金粉末进行干燥处理，在激光打印时将基板加热温度提高至170℃，进行激光打印；
S2.对激光打印成型的样品进行热处理后得到发动机机匣产品。
8.根据权利要求7所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末的应用，其特征在于，所述合金粉末的粒径不超过80μm。
9.根据权利要求7所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末的应用，其特征在于，所述激光打印的功率250-300W；扫描速度1000-1100mm/s；扫描间距0.1-0.2mm；扫描层厚0.01-0.03mm；层间转角65-67°。
10.根据权利要求7所述用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末的应用，其特征在于，所述热处理温度为150～170℃，保温时间为10～12h。
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| CN202311516461.XA CN117921025A (zh) | 2023-11-14 | 2023-11-14 | 一种用于激光熔化成形的Al-Si系合金粉末及其制备和应用 |
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