CN117987699B - 一种高强度铝基合金材料及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种高强度铝基合金材料及其生产工艺，高强度铝基合金材料由硅8.0‑12.0%、镁0.5‑1.6%、铁0.6‑1.0%、锌2.0‑5.0%、弥散剂1.0‑1.5%、变质剂0.6‑1.2%和余量铝制备得到。高强度铝基合金材料在配方中添加弥散剂和变质剂，弥散强化的同时保留合金的硬化效果，实现了细化晶粒、提高合金强度的作用，避免了合金热处理对合金材料均匀性的影响，高强度铝基合金材料的抗拉强度大于610MPa，屈服强度大于540MPa，延伸率＞10%，综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种高强度铝基合金材料及其生产工艺。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类金属结构材料，铝合金具有低密度、高比强度、良好的成型性和耐蚀性、低成本等一系列优势，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中应用广泛。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金的需求日益增多，对铝合金的研究也随之深入。
传统铝合金的主要成分为铝、镁和硅，由于受材料组织结构的限制，加工出来的材料性能较差，在加工过程中容易出现断裂、皱纹、疲劳等缺陷，成品率较低。为了提高铝合金品质，市场对铝合金材料提出了更高的要求，如更高的强度、硬度、耐腐蚀、耐磨损等。
目前国内外市场上的铝合金粉末类别主要以Al-Si系和Al-Mg-Sc-Zr为主，其中Al-Si系的性能虽然优于传统的锻件，但是其强度和塑性仍然有限，严重限制了该合金的广泛应用，而传统高强度铝合金在增材制造过程中易开裂，成形质量差，因此，需要研发一种高强度铝合金粉末。
专利公开号为CN111702181A的中国专利申请文件公开了一种钛铝合金粉末的制备方法、钛铝合金粉末及应用，钛铝合金原料采用TixAly的质量配比进行配料，其中，X为1、2、3或4，Y相应为1、3、2或3，将钛铝合金原料冶炼制备成钛铝合金棒材，并通过真空气雾化制备成钛铝合金粉末。此方法制得的铝合金粉末具有良好的球形度，氧含量低，但是其力学强度较差。
综上所述，现有技术中普遍存在铝合金粉末强度、硬度等力学性能较差的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种高强度铝基合金材料及其生产工艺。本发明提供的高强度铝基合金材料通过调整铝基合金材料的配方，并改进其生产工艺，将铝基合金材料的抗拉强度提高至610MPa以上，屈服强度提高至540MPa以上，延伸率＞10%，实现了提高铝基合金材料的技术效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高强度铝基合金材料，包括以下组分及其重量百分数：
硅8.0-12.0%、镁0.5-1.6%、铁0.6-1.0%、锌2.0-5.0%、弥散剂1.0-1.5%、变质剂0.6-1.2%、余量铝。
本发明配方中的硅能够与铝紧密结合增加强度，并改善合金的流动性，但是过量的硅会降低合金的伸长率，容易产生热裂纹，申请人研究发现在硅在本发明的用量范围内，铝基合金材料的强度最佳；镁以细亚稳Mg2Si的形态分散的沉淀物以强化合金；铁具有提高强度的效果；锌能够细化晶粒并具有提高MgZn2形态的强度的效果。
进一步的，所述高强度铝基合金材料包括以下组分及其重量百分数：硅10.5%、镁1.3%、铁0.7%、锌3.4%、弥散剂1.3%、变质剂0.9%、余量铝。
进一步的，所述高强度铝基合金材料中的弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为2-6:10-15:3-7组成。本发明在铝基合金材料的配方中的弥散剂包括钒、镉、钴三种元素，在制备过程中析出非常稳定的非共格第二相弥散质点，其与铝基体间界面洁净，且颗粒细小，分布均匀，在铝基合金材料中起到弥散强化的同时能够阻止再结晶，保留合金材料的硬化效果。
更进一步的，所述高强度铝基合金材料中的弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为5:13:6组成。
进一步的，所述高强度铝基合金材料中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为17-21:9-13组成。本发明中在铝基合金材料配方中添加变质剂，变质剂均匀地分散在铝合金液中，起到细化晶粒的作用，细化后的合金组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区，并利用晶界对位错的阻碍作用，提高合金材料的强度，同时，由于变质剂加入后可细化晶粒，有效避免了合金热处理对合金材料均匀性的影响。申请人研究过程中发现，当碳酸钙和硼酸钡按照一定质量比组成变质剂加入到铝基合金材料配方中，形成的铝基合金材料的抗拉强度和弯折强度达到最大值。
更进一步的，所述高强度铝基合金材料中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为19:11组成。
更进一步的，所述变质剂中碳酸钙和硼酸钡颗粒的粒径为5-10nm。本发明采用纳米级变质剂粉末，通过保护性气体吹入铝基合金材料体系内，使变质剂在铝基合金材料内均匀地分布，有利于晶粒细化和铝基合金材料强度提高。
本发明还提供了所述高强度铝基合金材料的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将除变质剂外的各组分通过气雾化法制备原材料粉末；
S2、将步骤S1制得的原材料粉末放入通有氩气保护气氛的恒温干燥炉中干燥，得到各组分的干燥粉末；
S3、将步骤S2制得的各组分的干燥粉末与变质剂混合均匀，加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量低于0.02%时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，得到高强度铝基合金材料。
进一步的，所述步骤S1中气雾化法制得的原料粉末的粒径为15-53μm。
进一步的，所述步骤S3中3D打印设备的工作参数为：激光功率为300-400W，扫描速率为1200-1400mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为90-120μm。
与现有技术相比，本发明提供的高强度铝基合金材料及其生产工艺具有如下技术优势：
（1）本发明提供的高强度铝基合金材料在配方中添加弥散剂，在铝基合金材料中引入非共格第二相弥散质点，保留合金的硬化效果，有利于提高铝基合金材料硬度的提高；
（2）本发明提供的高强度铝基合金材料在配方中添加变质剂，实现了细化晶粒的效果，有效提高了铝基合金材料的强度，并避免了合金热处理对合金材料均匀性的影响；
（3）本发明提供的高强度铝基合金材料的抗拉强度大于610MPa，屈服强度大于540MPa，延伸率＞10%，综合性能优异。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅限制于以下实施例。本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例1、一种铝基合金材料及其生产工艺
一种高强度铝基合金材料，包括以下组分及其重量百分数：
硅8.0%、镁1.6%、铁0.6%、锌5.0%、弥散剂1.0%、变质剂1.2%、余量铝。
所述高强度铝基合金材料中的弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为2:15:3组成。所述高强度铝基合金材料中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为17:9组成；所述变质剂中碳酸钙和硼酸钡颗粒的粒径为5nm。
所述高强度铝基合金材料的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将除变质剂外的各组分通过气雾化法制备粒径为15-53μm的原材料粉末；
S2、将步骤S1制得的原材料粉末放入通有氩气保护气氛的恒温干燥炉中干燥，得到各组分的干燥粉末；
S3、将步骤S2制得的各组分的干燥粉末与变质剂混合均匀，加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量低于0.02%时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，得到高强度铝基合金材料；所述步骤S3中3D打印设备的工作参数为：激光功率为300W，扫描速率为1200mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为90μm。
实施例2、一种铝基合金材料及其生产工艺
一种高强度铝基合金材料，包括以下组分及其重量百分数：
硅12.0%、镁0.5%、铁1.0%、锌2.0%、弥散剂1.5%、变质剂0.6%、余量铝。
所述高强度铝基合金材料中的弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为6:10:7组成。所述高强度铝基合金材料中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为21:13组成；所述变质剂中碳酸钙和硼酸钡颗粒的粒径为10nm。
所述高强度铝基合金材料的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将除变质剂外的各组分通过气雾化法制备粒径为15-53μm的原材料粉末；
S2、将步骤S1制得的原材料粉末放入通有氩气保护气氛的恒温干燥炉中干燥，得到各组分的干燥粉末；
S3、将步骤S2制得的各组分的干燥粉末与变质剂混合均匀，加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量低于0.02%时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，得到高强度铝基合金材料；所述步骤S3中3D打印设备的工作参数为：激光功率为400W，扫描速率为1400mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm。
实施例3、一种铝基合金材料及其生产工艺
一种高强度铝基合金材料，包括以下组分及其重量百分数：
硅10.5%、镁1.3%、铁0.7%、锌3.4%、弥散剂1.3%、变质剂0.9%、余量铝。
所述高强度铝基合金材料中的弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为5:13:6组成。所述高强度铝基合金材料中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为19:11组成；所述变质剂中碳酸钙和硼酸钡颗粒的粒径为8nm。
所述高强度铝基合金材料的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将除变质剂外的各组分通过气雾化法制备粒径为15-53μm的原材料粉末；
S2、将步骤S1制得的原材料粉末放入通有氩气保护气氛的恒温干燥炉中干燥，得到各组分的干燥粉末；
S3、将步骤S2制得的各组分的干燥粉末与变质剂混合均匀，加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量低于0.02%时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，得到高强度铝基合金材料；所述步骤S3中3D打印设备的工作参数为：激光功率为350W，扫描速率为1300mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为105μm。
对比例1、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量的钛代替弥散剂中的钴。
对比例2、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量的锰代替弥散剂中的镉。
对比例3、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为7:3:9组成。
对比例4、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中的变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为5:1组成。
对比例5、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中的变质剂全部为碳酸钙。
对比例6、
本对比例中铝基合金材料的配方与生产工艺与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中的变质剂全部为硼酸钡。
试验例、性能测试
本试验例将实施例1-3、对比例1-6制得的铝基合金材料进行了屈服强度、抗拉强度和延伸率的检测，检测结果见表1。
本试验例中，铝基合金材料参照《GB/T 222-2002金属材料室温拉伸试验方法》进行屈服强度、抗拉强度和延伸率的检测。
表1 性能测试结果
由表1可知，本发明提供的铝基合金材料将铝基合金材料的抗拉强度提高至610MPa以上，屈服强度提高至540MPa以上，延伸率＞10%，具有良好的力学性能。其中实施例3制得的铝基合金材料的抗拉强度和屈服强度最高、延伸率最大，为本发明最佳实施例。
与实施例3相比，对比例1和对比例2采用常见的铝合金增强元素代替弥散剂中的组分，对比例3改变了弥散剂各组分的用量比，但是制得的铝基合金材料的抗拉强度和屈服强度大大降低，这说明本发明铝基合金材料配方中的弥散剂各组分在起到弥散强化的同时能够阻止再结晶，保留合金材料的硬化效果，且并非所有过渡金属元素都能起到本发明的技术效果。
与实施例3相比，对比例4改变了变质剂中各组分的用量比，对比例5和对比例6改变了变质剂的组分，但是制得的铝基合金材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率大大降低，这说明本发明配方中的变质剂可以通过细化晶粒来实现提高强度的作用，且变质剂中的碳酸钙和硼酸钡共同作用才能实现本发明的技术效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的制备方法，而并非限制本发明。本领域任何熟悉此技术的人士皆不可在违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所提供的技术思想下完成的一切等效修饰或改变，仍由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种高强度铝基合金材料，其特征在于，包括以下组分及其重量百分数：
硅8.0-12.0%、镁0.5-1.6%、铁0.6-1.0%、锌2.0-5.0%、弥散剂1.0-1.5%、变质剂0.6-1.2%、余量铝；
所述弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为2-6:10-15:3-7组成；所述变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为17-21:9-13组成。
2.根据权利要求1所述的高强度铝基合金材料，其特征在于，包括以下组分及其重量百分数：硅10.5%、镁1.3%、铁0.7%、锌3.4%、弥散剂1.3%、变质剂0.9%、余量铝。
3.根据权利要求1所述的高强度铝基合金材料，其特征在于，所述弥散剂由钒、镉、钴按照质量比为5:13:6组成。
4.根据权利要求1所述的高强度铝基合金材料，其特征在于，所述变质剂由碳酸钙和硼酸钡按照质量比为19:11组成。
5.根据权利要求1所述的高强度铝基合金材料，其特征在于，所述变质剂中碳酸钙和硼酸钡颗粒的粒径为5-10nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高强度铝基合金材料的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将除变质剂外的各组分通过气雾化法制备原材料粉末；
S2、将步骤S1制得的原材料粉末放入通有氩气保护气氛的恒温干燥炉中干燥，得到各组分的干燥粉末；
S3、将步骤S2制得的各组分的干燥粉末与变质剂混合均匀，加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量低于0.02%时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，得到高强度铝基合金材料。
7.根据权利要求6所述的高强度铝基合金材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤S1中气雾化法制得的原料粉末的粒径为15-53μm。
8.根据权利要求6所述的高强度铝基合金材料的生产工艺，其特征在于，步骤S3中所述3D打印设备的工作参数为：激光功率为300-400W，扫描速率为1200-1400mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为90-120μm。
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